淺述高效超超臨界鍋爐制造工藝技術(shù)

賈思洋 康龍基 聶玉濤

（1、高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司），黑龍江 哈爾濱150046 2、哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

1 概述

目前高效清潔的燃煤發(fā)電技術(shù)越來越受到重視，高效百萬超超臨界鍋爐比常規(guī)超超臨界機(jī)組熱效率提高0.92%，由于蒸汽壓力和溫度提高，該類機(jī)組在高溫段蛇形管方面大量使用了不銹鋼內(nèi)噴丸管，此類管材在成型、加工、熱處理等過程與常規(guī)不銹鋼管相比均有特殊要求，為生產(chǎn)帶來很大困難。此類機(jī)組爐膛水冷壁采用內(nèi)螺紋管垂直管圈，爐膛水冷壁管屏采用ф28.6 12Cr1MoVG 材料，對(duì)于該材料膜式壁要求進(jìn)行焊后熱處理，此類小管徑、長(zhǎng)管屏焊后熱處理變形的控制是難點(diǎn)。同時(shí)，高溫段設(shè)計(jì)溫度和壓力的提升也提升了此部分集箱的材質(zhì)和規(guī)格，在集箱管孔加工、管接頭裝配、焊接等過程中也出現(xiàn)一些難點(diǎn)。通過試驗(yàn)和生產(chǎn)研究，現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2 水冷壁膜式壁制造工藝方面

百萬超超臨界鍋爐水冷壁采用垂直管圈，燃燒器采用墻式布置單層雙切圓燃燒的方式，燃燒器上方布置燃風(fēng)，燃燼風(fēng)同樣為墻式布置雙層雙切圓燃燒方式。

2.1 材料特點(diǎn)

2.1.1 水冷壁部件大量使用12Cr1MoVG 材質(zhì)，具體部件包括前水冷壁上部、后水冷壁上部、側(cè)水冷壁上部、中部水冷壁散管管屏（前/后/左/右）、燃燼風(fēng)噴口管屏(一/二/三/四)等11個(gè)部件，占整臺(tái)鍋爐水冷壁部件數(shù)的41%。12Cr1MoV 鋼屬于珠光體低合金耐熱鋼，由于碳當(dāng)量較大，鋼材本身的淬硬傾向較大，若產(chǎn)品結(jié)構(gòu)拘束度較大，則在氫的作用下，會(huì)導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。12Cr1MoV 鋼中的基本化學(xué)成分Cr、Mo 均為碳化物的形成元素，具有析出強(qiáng)化作用，但在Cr-Mo 鋼中添加V 會(huì)增大再熱裂紋傾向，若預(yù)熱溫度偏低、焊接線能量偏大等容易產(chǎn)生再熱裂紋。

2.1.2 12Cr1MoVG 管屏制難點(diǎn)及控制措施。 采用12Cr1MoVG 管材生產(chǎn)的管子及管屏當(dāng)壁厚＞6mm 時(shí)，需要進(jìn)行去應(yīng)力退火熱處理；而水冷壁部件中，燃燒器噴口管的焊后熱處理容易產(chǎn)生變形，為控制變形需要采取相應(yīng)的措施，采用整體進(jìn)爐熱處理，帶裝配架子進(jìn)爐，平穩(wěn)擺放支墊，保證支撐點(diǎn)數(shù)量，每爐控制裝爐量，認(rèn)真擺放，一旦出現(xiàn)熱處理變形，采用火焰校正時(shí)要有相應(yīng)的測(cè)溫措施。

2.2 燃燼風(fēng)燃燒器噴口管屏的制造

2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。高效百萬超超臨界鍋爐燃燼風(fēng)為墻式雙切圓雙層布置，結(jié)構(gòu)總?cè)缫妶D1。燃勁風(fēng)噴口管屏分別布置在爐膛的前墻和后墻，一層八只燃燼風(fēng)形成雙切圓的燃燒方式，一臺(tái)鍋爐兩層共16 只燃燼風(fēng)噴口管屏。

圖1 燃燼風(fēng)燃燒器噴口管屏結(jié)構(gòu)和布置型式

2.2.2 制造過程中的難點(diǎn)。管屏制造工藝與常規(guī)的百萬超超臨界鍋爐燃燼風(fēng)噴口管屏相同，仍為分片制造，再采用裝配胎具進(jìn)行組裝，但是高效百萬超超臨界鍋爐燃燼風(fēng)噴口管屏管子材質(zhì)為12Cr1MoVG，壁厚為5.8MWT,生產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行焊后熱處理，因而生產(chǎn)存在以下難點(diǎn)。

a.此類異型管屏熱處理時(shí)容易變異，因此焊接以及熱處理變形的控制是此管屏制造的難點(diǎn)。b.沉頭螺栓熱處理問題，焊接順序問題等等。

圖2 沉頭螺栓裝焊圖

2.2.3 采取的工藝措施。a.管屏在分片制造時(shí)，裝焊采用間隔法、對(duì)稱法從源頭開始控制管屏的焊接變形。同時(shí)在組裝時(shí)對(duì)于管屏口區(qū)以及兩端采用型鋼進(jìn)行加固支撐，并且?guī)Ъ庸讨我黄疬M(jìn)行焊后熱處理。b.根據(jù)管屏結(jié)構(gòu)，在管屏上下兩端部成洼兜區(qū)域，按照管屏管子的走向?qū)芷吝M(jìn)行加固，在焊制熱處理支撐架時(shí)通過把管屏端部與底框架固定、在管屏內(nèi)側(cè)增加支撐的形式，可有效減少熱處理變形。管屏熱處理后經(jīng)過檢查，管屏幾乎無變形。c.生產(chǎn)之前對(duì)沉頭螺栓進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，確定沉頭螺栓整體強(qiáng)度及螺紋強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)需要。通過調(diào)整熱處理支架，避開螺栓位置，最終確認(rèn)螺栓再分片組裝前與法蘭盤焊接。d.管屏在熱處理支墊平穩(wěn)，單屏進(jìn)行熱處理。管屏生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

3 蛇形管部件制造工藝方面

百萬高效超超臨界鍋爐與非高效超超臨界鍋爐相比，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)溫度和壓力的提高，高溫段管屏部件上大量采用了SA-213T91、SA-213T92、SA-213TP310HCbN 及 SA-213S30432內(nèi)噴丸、SA-213TP347HFG 內(nèi)噴丸等材質(zhì)，管子規(guī)格有所變化。

3.1 高溫段管屏特點(diǎn)和工藝措施

3.1.1 內(nèi)噴丸材料特點(diǎn)。 管屏首次采用新材料SA-213S30432 內(nèi)噴丸、SA-213TP347HFG 內(nèi)噴丸。為保證產(chǎn)品制造質(zhì)量，生產(chǎn)前對(duì)此新材料進(jìn)行了研究。

噴丸處理能在材料表面引入壓應(yīng)力、提高表面硬度，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和提高抗應(yīng)力腐蝕性能，可以提高奧氏體不銹鋼的抗氧化性能。超超臨界鍋爐的高溫段管屏在高溫工況下長(zhǎng)期運(yùn)行，SA-213S30432（Super304H）、HR3C、SA-213TP347H等不銹鋼材料在內(nèi)壁氧化形成Fe3O4和FeCr2O4(即尖晶石型復(fù)合氧化物FeOoCr2O3)。由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)較大，在鍋爐啟動(dòng)和停爐時(shí)隨著熱應(yīng)力的變化，較厚的氧化皮容易剝離，剝離氧化物極容易在下彎頭處沉淀堆積而阻塞汽流通道，致使管壁超溫而導(dǎo)致爆管。為提高不銹鋼管的抗氧化性能，內(nèi)壁噴丸強(qiáng)化處理技術(shù)得以推廣應(yīng)用。

3.1.2 內(nèi)噴丸材料試驗(yàn)結(jié)果。為解決實(shí)際生產(chǎn)中可能遇到的問題，針對(duì)內(nèi)噴丸管進(jìn)行了彎管、管端加工、熱處理試驗(yàn)，研究部分工序?qū)懿男阅艿挠绊懠按祟惒牧霞庸ぬ攸c(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

a. 內(nèi)噴丸不銹鋼管的焊接性和機(jī)加性與常規(guī)材質(zhì)相比較，并沒有太大差異。b.內(nèi)噴丸不銹鋼管在進(jìn)行彎曲成型時(shí)，當(dāng)變形量超過15%后噴丸層開始產(chǎn)生鱗片狀翹起或褶皺，隨變形量增大趨于嚴(yán)重。此外，根據(jù)我公司的制造標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)變形量超過15%時(shí)，需對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行固溶化熱處理，而當(dāng)熱處理溫度到達(dá)1000℃時(shí)，噴丸層已基本消失，不具備抗腐蝕能力，所以在內(nèi)噴丸不銹鋼管生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免變形量超過15%的冷成型加工。c.熱校對(duì)內(nèi)噴丸不銹鋼管的影響因素較多，不同的熱校溫度和時(shí)間，對(duì)噴丸層的影響也不同。為避免對(duì)噴丸層的影響，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免熱校。

3.1.3 內(nèi)噴丸不銹鋼管管屏整體熱處理問題。部分管屏部件同 時(shí) 存 在 SA-213T91/T92 和 SA-213S30432 內(nèi) 噴 丸、SA-213TP347HFG 內(nèi)噴丸材質(zhì)，SA-213T91/T92 通常布置在管屏端部。由于SA-213T91/T92 焊接或成型后必須進(jìn)行熱處理，而管屏中的內(nèi)噴丸管子經(jīng)過熱處理會(huì)導(dǎo)致內(nèi)噴丸層強(qiáng)化效果消失，因此管屏無法進(jìn)行整體熱處理。

3.1.4 采取的工藝措施。a.對(duì)于尚未投料的部件，與設(shè)計(jì)者協(xié)商，在SA-213T91/T92 與內(nèi)噴丸管之間增加非內(nèi)噴丸不銹鋼管過渡段，將SA-213T91/T92 與過渡段對(duì)接、熱處理后，再與管屏其他元件對(duì)接。b.對(duì)于已投料的部件，與設(shè)計(jì)者溝通確定內(nèi)噴丸管端部允許失效區(qū)域，將內(nèi)噴丸管與SA-213T91/T92 對(duì)接端斷一截短管，先將SA-213T91/T92 與短管對(duì)接、熱處理后，再與管屏其他元件對(duì)接。c.對(duì)于SA-213T91/T92 存在彎管或附件焊接，處理方法同a 或b 在熱處理前增加彎管、附件焊接等相應(yīng)工序。附件裝焊前應(yīng)通過劃線、對(duì)樣等措施嚴(yán)格控制焊接位置，避免整體裝配后附件位置串線。d.對(duì)于部分端部接壁厚大于6mm的12Cr1MoVG 管子的管屏，采取類似上述的措施進(jìn)行控制。

3.2 高溫段管屏中密封板的焊接問題

3.2.1 制造過程中的難點(diǎn)。分隔屏部件中存在SA-213T91 材質(zhì)上焊齒形密封板結(jié)構(gòu)，原則上SA-213T91 材質(zhì)上不允許焊密封板。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，此類結(jié)構(gòu)焊后易出現(xiàn)延遲裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量，并且裝配難度大，見圖3。

圖3 密封板結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 采取的工藝措施。a.針對(duì)SA-213T91 材質(zhì)上焊齒形密封板結(jié)構(gòu)，反饋設(shè)計(jì)者在密封板位置增加不銹鋼過渡段，即可避免密封板焊接后SA-213T91 管子出現(xiàn)延遲裂紋的問題。b.針對(duì)裝配難度大的問題，通過試驗(yàn)確定了更加精確的密封板下料尺寸，減小密封板裝配時(shí)管子與密封板之間間隙，降低焊接難度，避免強(qiáng)制裝配。焊接時(shí)若密封板與管子之間間隙較大，則首先將間隙填滿，然后再焊接到要求的焊角尺寸，在收弧填滿弧坑以避免收弧裂紋。此結(jié)構(gòu)焊接需進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后后熱，故提制了相應(yīng)的預(yù)熱及后熱工裝，見圖4。

圖4 密封板裝焊預(yù)熱工裝示意圖

3.3 蛇形管管屏的變形控制

蛇形管管屏部件整體尺寸較大，裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)及熱處理過程中可能會(huì)造成管屏變形，因此在實(shí)際生產(chǎn)中采取了部分防變形措施，主要包括：

a.將包裝用的夾持角鋼提到零件清單中，用于管屏的轉(zhuǎn)送及熱處理。同時(shí)對(duì)于分隔屏部件，在夾持角鋼中間位置采用工藝用料所提供的鐵絲加強(qiáng)夾持角鋼的強(qiáng)度。b.根據(jù)工藝處對(duì)車間不銹鋼的熱校統(tǒng)計(jì)，對(duì)于帶有空間彎的結(jié)構(gòu)明顯校正量大，彎頭的校正量也明顯較多。生產(chǎn)時(shí)，車間在來料狀態(tài)、焊接、起吊、彎管、熱處理和裝配工序上加強(qiáng)控制，減少了管屏的校正量。

圖5 末級(jí)過熱器出口集箱結(jié)構(gòu)圖

圖6 帶分屑槽的鉆頭和管孔刀具

4 集箱部件制造工藝方面

4.1 總體結(jié)構(gòu)介紹

高效超超臨界機(jī)組相比常規(guī)超超臨界機(jī)組，提高了主蒸汽出口壓力和再熱蒸汽出口溫度，主要在過熱器和再熱器系統(tǒng)有所變化，體現(xiàn)在集箱總體結(jié)構(gòu)上的變化是提升了部分高溫段集箱材質(zhì)及規(guī)格，為集箱部件的實(shí)際生產(chǎn)帶來了一些困難。

4.2 高材質(zhì)、大壁厚集箱制造工藝控制

4.2.1 部件簡(jiǎn)介。高溫段過熱器、再熱器系統(tǒng)中的集箱普遍采用大壁厚的SA-335P91、SA-335P92 筒身材質(zhì)。該材質(zhì)硬度高、焊接性差、具有較強(qiáng)的冷裂紋傾向，為實(shí)際生產(chǎn)帶來較大困難，實(shí)際生產(chǎn)過程中采取了多項(xiàng)控制措施，集箱結(jié)構(gòu)見圖5。

4.2.2 制造過程中的難點(diǎn)。a.由于集箱材質(zhì)為SA-335P92，硬度較高，且壁厚為130mm，造成集箱開孔困難。b.SA-335P92材質(zhì)對(duì)焊接參數(shù)的選擇、層間溫度的控制、焊接過程及焊后后熱等要求較高，焊接過程控制難度大。c. 由于集箱筒身為SA-335P92 材質(zhì)且壁厚較厚，一旦發(fā)生變形或撓度超差，校正將十分困難。d.為充分滿足設(shè)計(jì)性能，需嚴(yán)格保證SA-335P92 材料的最終硬度指標(biāo)，制造過程中受熱處理和焊接的影響，硬度控制較為困難。e.集箱小管接頭管排焊好后，因結(jié)構(gòu)原因探傷困難。f.集箱管接頭較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配定位較為困難。

4.2.3 采取的工藝措施。a.筒身上鉆通孔時(shí)，鉆頭上開分屑槽減少切削面積，降低鉆頭的使用強(qiáng)度，如圖6 所示。加工HG04004 坡口時(shí)，采用10mm 厚的刀片進(jìn)行管孔加工，加工過程中控制鉆床轉(zhuǎn)速在100r/min。b. 焊接時(shí)需按照焊接工藝規(guī)程（WPS）嚴(yán)格控制焊接參數(shù)、層間溫度，焊前進(jìn)行充分預(yù)熱，焊接中斷及焊接結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行后熱處理并嚴(yán)格控制熱處理溫度。c.劃線過程中，將筒身按焊后變形方向相反擺放；集箱裝焊時(shí)在筒身下每隔3-4 米放置支架；整體熱處理時(shí)，將筒身合理支墊，調(diào)整支墊高度一致，便于熱處理過程中筒身自行調(diào)整。d.在筒身下料前進(jìn)行硬度檢查，集箱整體熱處理后對(duì)筒身及環(huán)縫增加硬度檢查工序；嚴(yán)格控制集箱各種熱過程，避免筒身熱校；熱處理時(shí)控制火焰不能直接噴燒到集箱上。e.裝焊管接頭時(shí)，焊好一排后按相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行無損檢查，檢查合格后再焊下一排，逐排焊妥小管接頭。f.管接頭裝配時(shí)先裝點(diǎn)若干基準(zhǔn)管接頭，然后將包裝中的多孔板裝上并點(diǎn)焊牢固，再裝焊其他管接頭。裝焊其他管接頭時(shí)通過孔板定位，以保證管接頭形位公差符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

通過一系列試驗(yàn)及工藝制造技術(shù)的不斷完善，積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也滿足了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，保證了其使用性能, 現(xiàn)已成功應(yīng)用于多臺(tái)鍋爐的生產(chǎn)制造，鍋爐現(xiàn)已投入商業(yè)運(yùn)行，電廠反映良好。