電站高壓鍋爐鍋筒卷制及焊接工藝分析

南虎生

（太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030008）

引言

鍋筒是鍋爐中最關(guān)鍵的受壓部件。其作用是接納省煤器給水并進(jìn)行汽水分離，向循環(huán)回路供水和向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽，除水鹽分獲得良好的蒸汽品質(zhì)，負(fù)荷變化時(shí)起蓄熱和蓄水作用。

鍋筒筒體有一定長(zhǎng)度，一般由幾段筒節(jié)組成。高壓鍋爐鍋筒常用的鋼板材質(zhì)為P355GH，制造過(guò)程由鋼板卷制、坡口加工、焊接等工藝組成，鍋筒卷制和焊接是其最重要的工藝環(huán)節(jié)。鍋爐制造企業(yè)的生產(chǎn)能力，直接影響著這兩個(gè)工藝能否有效實(shí)現(xiàn)。

文章就太原鍋爐集團(tuán)有限公司高壓鍋筒制造中，鍋筒卷制和焊接兩個(gè)主要工藝技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)行比較分析，為同類制造企業(yè)提供有一定價(jià)值的參考。

1 筒節(jié)的規(guī)格材質(zhì)及其性能

P355GH鋼屬于細(xì)晶粒低合金鋼，AL的總含量最低值規(guī)定為0.02%，上屈服點(diǎn)為355 MPa。P355GH鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能和工藝性能，500℃以下的高溫力學(xué)性能優(yōu)于碳素鋼，在鍋爐制造行業(yè)里，電站鍋爐高壓鍋筒筒體的材質(zhì)均選用P355 GH。

筒節(jié)的規(guī)格為Φ1 600 mm×100 mm，板厚為δ100 mm。材質(zhì)為P355GH，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，筒節(jié)的力學(xué)性能及供貨狀態(tài)見(jiàn)表2。

表1 P 355GH的化學(xué)成分

表2 P 355的機(jī)械性能

2 鍋筒卷制設(shè)計(jì)方案及工藝分析

筒節(jié)的卷制就是鋼板的彎曲過(guò)程也是鋼板的彎曲塑性變形過(guò)程。要把鋼板卷制成圓筒形，必須使鋼板在寬度方向都受到相同的彎曲力，產(chǎn)生相同的塑性變形。如受力不相同，卷制的筒節(jié)將不是真的圓筒形。鍋筒的卷制工藝設(shè)計(jì)一方面是考慮設(shè)備的加工能力，另一方面是考慮材料的屈服極限、筒節(jié)彎曲參數(shù)，即變形率。為此，我們從設(shè)備和彎曲變形率兩方面來(lái)制定鍋筒筒節(jié)卷制方案。

2.1 主要設(shè)備W11S-140/210×3200卷板機(jī)

1）W11S-140/210×3200卷板機(jī)原設(shè)計(jì)最大卷板能力。在鋼板屈服強(qiáng)度δs=245 MPa（20#20g），板寬3 200 mm，卷筒直徑1 600 mm時(shí)，最大冷卷圓厚度為140 mm，最大熱卷圓厚度為210 mm（主缸最大工作壓力為25MPa）。在鋼板屈服強(qiáng)度δs=355 MPa（P355GH），板寬為3 200 mm，卷筒直徑1 600 mm時(shí)，帶直邊最大冷卷、冷校圓厚度為100 mm（主缸最大工作壓力為25 MPa）。

2）卷板機(jī)實(shí)際工作能力情況。工件Φ1600 mm×100mm×2100mm，鋼板屈服程度355 MPa（P355GH）：冷卷，580℃溫復(fù)圓。

2.2 卷制工藝方案設(shè)計(jì)

在鋼板卷制過(guò)程中，鋼板產(chǎn)生的塑性變形，沿鋼板厚度方向是各不相同的，外圓周伸長(zhǎng)，內(nèi)圓周縮短，中間層保持不變。由于鋼板在彎卷時(shí)，外周伸長(zhǎng)內(nèi)周縮短，因此鋼板金屬組織產(chǎn)生不同的變形。外側(cè)晶粒拉長(zhǎng)，內(nèi)側(cè)晶粒壓縮，晶格扭曲，使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并形成加工硬化現(xiàn)象。鋼板愈厚或卷成的筒節(jié)直徑愈小，則鋼板的變形率愈大，加工硬化現(xiàn)象也愈嚴(yán)重，鋼板內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力也愈大。上述情況將會(huì)嚴(yán)重地影響筒節(jié)的制造質(zhì)量，甚至?xí)a(chǎn)生裂紋使筒節(jié)報(bào)廢。

鋼板產(chǎn)生塑性變形的程度，可用變形率ξ來(lái)表示。為保證鍋筒筒節(jié)的制造質(zhì)量，根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于高強(qiáng)度低合金鋼ξ≤3%，既可實(shí)現(xiàn)冷態(tài)卷彎。而Φ1 600 mm×100 mm筒節(jié)變形率如下：

式中：s為筒節(jié)厚度；Dp為筒節(jié)的平均直徑

從以上計(jì)算可以看出，不能實(shí)現(xiàn)冷態(tài)彎制。

為了保證卷筒質(zhì)量，通常都是先把鋼板加熱，在熱態(tài)下進(jìn)行彎卷。實(shí)際生產(chǎn)中，擬出以下方案進(jìn)行對(duì)比試制。

方案一：對(duì)材料為P355GH、規(guī)格為Φ1600 mm×100 mm筒節(jié)，帶直邊卷制工藝采用溫卷（580℃）、冷校圓。

方案二：對(duì)材料為P355GH、規(guī)格為Φ1600 mm×100 mm筒節(jié)，帶直邊卷制工藝采用溫卷（580℃）、溫校圓。

方案三：對(duì)材料為P355GH、規(guī)格為Φ1600mm×100 mm筒節(jié)，采用預(yù)彎板頭卷圓后切直邊工藝時(shí)，采用溫卷（580℃）、溫校圓。

2.3 筒節(jié)試制數(shù)據(jù)及分析

Φ1 600 mm×100 mm筒節(jié)下料時(shí)，長(zhǎng)度尺寸按筒節(jié)中徑計(jì)算是5 341 mm。卷圓后，按理論尺寸開(kāi)縱縫坡口。其中：1號(hào)～5號(hào)筒節(jié)，采用方案一進(jìn)行卷制；6號(hào)～8號(hào)筒節(jié)，采用方案二進(jìn)行卷制；9號(hào)筒節(jié)下料尺寸為6 000 mm，采用方案三進(jìn)行卷制。具體尺寸見(jiàn)表3。

表3 筒節(jié)卷制試制數(shù)據(jù)表

從以上數(shù)據(jù)分析可得出：

1）按方案一卷制的筒節(jié)1號(hào)～5號(hào)，棱角度除4號(hào)筒節(jié)外全部超差，且用該工藝方案復(fù)圓過(guò)程中，卷板機(jī)出現(xiàn)故障。

2）按方案二卷制的筒節(jié)6號(hào)～8號(hào)，內(nèi)徑偏差接近于下偏差，且卷板機(jī)的出力不用達(dá)到滿負(fù)荷。

3）按方案三卷制的筒節(jié)9號(hào)，橢圓度及棱角度明顯比6號(hào)～8號(hào)筒節(jié)大，且比較費(fèi)料，并未達(dá)到減小復(fù)圓難度的目的。

為確保我公司現(xiàn)有的卷板機(jī)正常運(yùn)行，卷板材料為P355GH、規(guī)格為Φ1 600 mm×100 mm筒節(jié)，采用方案二帶直邊溫卷（580℃）、溫復(fù)圓工藝，即可達(dá)到GB16507中的各項(xiàng)要求。因采用方案二卷制的筒節(jié)下偏差較大，通過(guò)加大氣割坡口時(shí)外圓周長(zhǎng)尺寸，即可有明顯的改觀。

3 鍋筒焊接工藝分析

根據(jù)材料特性，P355GH鋼板，厚度的100 mm的鍋筒縱環(huán)縫焊接時(shí)，必須在100℃的條件下進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后消氫。

因鍋筒筒節(jié)鋼板厚度較大，為減少焊接工作量，有效地降低制造成本及焊接變形，根據(jù)我公司的焊接設(shè)備選用仿窄間隙縱縫坡口和窄間隙環(huán)縫坡口結(jié)構(gòu)，具體如圖1、2所示。

就焊前預(yù)熱而言，采用火焰加熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各100 mm，采用測(cè)溫筆或熱電偶距坡口75 mm的筒節(jié)外表面進(jìn)行測(cè)溫。焊接過(guò)程中，保證溫度不小于100℃。

焊接過(guò)程中，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量，焊道溫度100～300℃。每焊完一道焊縫進(jìn)行自檢，確認(rèn)表面無(wú)缺陷，再進(jìn)行下一道焊接，若有缺陷必清除。要求焊縫寬度比坡口增寬小于5 mm，焊縫余高0.5～3 mm。具體焊接參數(shù)如表4所示。

表4 焊接參數(shù)

焊接完成，焊縫溫度必須大于150℃，在焊縫溫度降低至150℃前開(kāi)始用火焰加熱的方式進(jìn)行消氫。加熱背面用保溫層覆蓋，保溫層厚度為40 mm，保溫層寬度為焊縫中心兩側(cè)各200 mm。具體消氫參數(shù)如表5所示。焊縫檢查方面，筒體縱向及環(huán)向?qū)咏宇^100%外觀檢查、磁粉檢測(cè)、超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)均合格。

表5 消氫參數(shù)

4 結(jié)論

卷板材料為P355GH，規(guī)格為Φ1 600 mm×100 mm筒節(jié)，帶直邊卷制工藝，采用溫卷（580℃）溫校圓，即可達(dá)到GB/T16507《水管鍋爐》中的各項(xiàng)要求。卷制的筒節(jié)下偏差較大，通過(guò)加大氣割坡口時(shí)外圓周長(zhǎng)尺寸，可有明顯的改觀。

材質(zhì)為P355GH的高壓鍋筒縱環(huán)焊縫，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、焊接參數(shù)及焊后消氫溫度，焊縫質(zhì)量是可靠的。

因此，以上卷制和焊接工藝參數(shù)值得借鑒和推廣。