熱電廠(chǎng)高壓加熱器的檢驗(yàn)與缺陷處理

摘要：高壓加熱器是火電廠(chǎng)汽輪機(jī)組中給水回?zé)嵯到y(tǒng)的重要設(shè)備，由于長(zhǎng)期在高溫、高壓工況下運(yùn)行，裂紋、腐蝕減薄等危害性缺陷可能會(huì)引起設(shè)備泄漏和爆炸事故，特別是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，如管板和接管角焊縫容易因制造和使用的原因產(chǎn)生缺陷；通過(guò)定期檢驗(yàn)來(lái)排查安全隱患，可有效保障設(shè)備安全運(yùn)行。對(duì)某氧化鋁廠(chǎng)熱電分廠(chǎng)的兩臺(tái)高壓加熱器進(jìn)行了定期檢驗(yàn)，在進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)在人孔角焊縫處存在表面裂紋，進(jìn)一步對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫進(jìn)行埋藏缺陷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其存在整圈的未熔合。通過(guò)對(duì)四合環(huán)密封結(jié)構(gòu)人孔的受力分析、人孔材質(zhì)的化學(xué)成分分析、角焊縫結(jié)構(gòu)分析及焊接過(guò)程因素分析，了解到制造遺留了延遲裂紋和未熔合缺陷，產(chǎn)生缺陷的原因包括人孔角焊縫處存在應(yīng)力集中，人孔鍛件材質(zhì)淬硬傾向大，角焊縫成形不良等。在對(duì)缺陷進(jìn)行處理前，為保證返修質(zhì)量，從消除焊接殘余應(yīng)力的目的出發(fā)，針對(duì)性地對(duì)缺陷清除、焊前預(yù)熱、焊接過(guò)程控制、無(wú)損檢測(cè)、焊后熱處理以及耐壓試驗(yàn)等過(guò)程給出了具體方案。

關(guān)鍵詞：高壓加熱器；應(yīng)力集中；冷裂紋；缺陷處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621.2" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-0797（2023）07-0075-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.019

0" " 引言

火力發(fā)電廠(chǎng)給水回?zé)嵯到y(tǒng)的作用是從汽輪機(jī)不同壓力的中間級(jí)處抽出部分蒸汽，送到給水加熱器中對(duì)鍋爐給水進(jìn)行加熱，是火電機(jī)組的主要系統(tǒng)組成。高壓加熱器是利用從汽輪機(jī)抽取的蒸汽加熱鍋爐給水的裝置，是給水回?zé)嵯到y(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。高壓加熱器有兩個(gè)作用，一是通過(guò)抽汽加熱給水（回?zé)幔┨岣唠姀S(chǎng)熱效率；二是將給水加熱后，其進(jìn)入鍋爐可減小溫差引起的熱應(yīng)力[1]。由于高壓加熱器長(zhǎng)期處于高壓、高溫工況下，裂紋、腐蝕減薄等缺陷可能會(huì)引起泄漏、爆炸等事故，將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，特別是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，如水室封頭的接管和人孔角焊縫、水室與管板連接處焊縫，由于殘余應(yīng)力大，容易產(chǎn)生缺陷[2-3]。因此，對(duì)高壓加熱器進(jìn)行定期檢驗(yàn)，可以有效排查安全隱患，保障其高效穩(wěn)定運(yùn)行。

本文將以某氧化鋁廠(chǎng)熱電分廠(chǎng)的高壓加熱器為例，介紹其檢驗(yàn)情況，分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出缺陷處理方案，為同類(lèi)設(shè)備的檢驗(yàn)檢修提供一些參考和經(jīng)驗(yàn)。

1" " 設(shè)備概況

受某氧化鋁廠(chǎng)委托，對(duì)其熱電分廠(chǎng)汽輪機(jī)機(jī)組的兩臺(tái)高壓加熱器進(jìn)行檢驗(yàn)。由于汽輪機(jī)機(jī)組維修調(diào)試的原因，兩臺(tái)高壓加熱器一直未正常運(yùn)行，本次檢驗(yàn)為首次定期檢驗(yàn)。高壓加熱器是U型管式換熱器，主要由管板、封頭、管系、殼體、人孔、管程接管與殼程接管組成，為立式結(jié)構(gòu)，設(shè)備基本參數(shù)如表1所示。

2" " 檢驗(yàn)情況

由于待檢高壓加熱器的管板與筒體、水室封頭的連接為焊接結(jié)構(gòu)，本次檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不具備抽芯條件。因此，制定的檢驗(yàn)方案以外表面的檢驗(yàn)項(xiàng)目為主，主要進(jìn)行了宏觀檢查、壁厚測(cè)定、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、安全附件檢查等項(xiàng)目的檢驗(yàn)。

2.1" " 宏觀檢查

拆除外表面的隔熱層，依次根據(jù)結(jié)構(gòu)和幾何尺寸、腐蝕、變形、開(kāi)裂、支承、疏水和隔熱層下腐蝕等項(xiàng)目進(jìn)行檢查，在檢查過(guò)程中未見(jiàn)變形及腐蝕。

2.2" " 壁厚測(cè)定

對(duì)水室封頭、汽側(cè)筒體、汽側(cè)封頭及接管等主要受壓元件分別進(jìn)行壁厚測(cè)定，結(jié)果表明無(wú)明顯減薄。

2.3" " 無(wú)損檢測(cè)

2.3.1" " 磁粉檢測(cè)

對(duì)外表面的對(duì)接焊縫、接管角焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)，在1#高加和2#高加的人孔與上封頭的角焊縫上均發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋位于角焊縫靠近人孔筒體的熔合線(xiàn)處，缺陷已向母材延伸，如圖1和圖2所示。

2.3.2" " 超聲波檢測(cè)

在筒體外表面對(duì)交叉對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)抽查，在檢測(cè)過(guò)程中，未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標(biāo)缺陷。

對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的人孔角焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確定其是否存在埋藏缺陷。經(jīng)檢測(cè)，在內(nèi)部深度30～55 mm的范圍內(nèi)存在整圈的條形缺陷。

2.4" " 安全附件檢查

對(duì)安全閥、壓力表、溫度計(jì)、液位計(jì)進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，安全閥、壓力表均在有效期內(nèi)，鉛封完好，壓力表的量程和精度等級(jí)符合要求，溫度計(jì)和液位計(jì)符合要求。

3" " 檢驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" " 受力分析

水室封頭上的人孔筒節(jié)是高壓加熱器的主要受壓元件。常見(jiàn)的人孔形式有四合環(huán)自密封人孔、內(nèi)置自密封人孔、大開(kāi)口四合環(huán)密封人孔、法蘭強(qiáng)制焊接密封人孔等。本次檢驗(yàn)的高壓加熱器人孔采用的是四合環(huán)自密封（又稱(chēng)伍德密封），這也是目前使用得最多的人孔形式。

在本案例中，人孔筒節(jié)材質(zhì)為20MnMoⅢ鋼鍛件，規(guī)格為?620×?420×320 mm，水室封頭材質(zhì)為16MnR鋼，規(guī)格為?1 100×90 mm。為分析人孔應(yīng)力情況，根據(jù)《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》（GB 150.3—2011）計(jì)算人孔筒節(jié)端部當(dāng)量應(yīng)力[4]。

經(jīng)計(jì)算得到，人孔筒體端部環(huán)向截面拉應(yīng)力為：

筒體端部環(huán)向截面的彎曲應(yīng)力為：

綜上可得，人孔筒節(jié)環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力為：σoa=σa+σma=84.7 MPa，即人孔附近承受較大的應(yīng)力。

3.2" " 化學(xué)成分分析

根據(jù)出廠(chǎng)資料中的數(shù)據(jù)，人孔和水室封頭的材料化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2和表3所示。

根據(jù)IIW（國(guó)際焊接學(xué)會(huì)）推薦的碳當(dāng)量公式（3）進(jìn)行計(jì)算，人孔材料20MnMoⅢ鋼的碳當(dāng)量約為0.5%，淬硬傾向大，其焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬性組織的概率會(huì)大大提高，焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的傾向大。在焊接過(guò)程中如工藝控制不當(dāng)，在焊后易產(chǎn)生淬硬脆化裂紋。

3.3" " 焊縫結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)圖紙中規(guī)定的人孔筒節(jié)角焊縫坡口形式如圖3所示。在檢驗(yàn)中對(duì)該角焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)整圈角焊縫的焊縫熔寬小，焊縫寬度在10～16 mm，說(shuō)明其在制造時(shí)坡口加工寬度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致角焊縫的拘束度大，焊后殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

3.4" " 焊接過(guò)程因素分析

由于高加水室封頭壁厚較厚，焊縫焊接時(shí)采用多層焊，但是在每層焊接結(jié)束后，對(duì)表面藥皮清理不夠徹底，或者焊接時(shí)參數(shù)控制不當(dāng)、焊接過(guò)快等，可能會(huì)在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生未熔合等超標(biāo)缺陷，這些缺陷處就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生裂紋[5]。

設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求規(guī)定，在對(duì)人孔筒節(jié)和水室封頭焊接時(shí)要進(jìn)行焊前預(yù)熱，并在焊接結(jié)束后進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力。可能由于熱處理時(shí)極個(gè)別區(qū)域存在熱偏差，設(shè)備在熱處理后局部存在應(yīng)力未完全消除的情況，隨著運(yùn)行后應(yīng)力逐步釋放從而在表面產(chǎn)生細(xì)小的延遲裂紋。

綜上所述，人孔角焊縫處裂紋產(chǎn)生的原因可能是坡口未按技術(shù)要求加工，焊縫成形不良，焊接參數(shù)控制不當(dāng)，存在未熔合、夾渣、氣孔等焊接缺陷；熱處理后可能存在殘余應(yīng)力未消除情況，在焊接應(yīng)力、人孔角接接頭結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力的作用下，焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂紋經(jīng)擴(kuò)展導(dǎo)致冷裂紋形成，從而在人孔角焊縫的焊趾處出現(xiàn)裂紋。

4" " 缺陷處理

為了完全消除設(shè)備安全隱患，防止缺陷再次出現(xiàn)，需要結(jié)合上述角焊縫裂紋產(chǎn)生的機(jī)制分析制定好維修方案并嚴(yán)格執(zhí)行。

4.1" " 缺陷清除

（1）確定裂紋及其他超標(biāo)缺陷深度、位置后，采用碳弧氣刨+砂輪機(jī)打磨的方式將焊縫的裂紋及其他超標(biāo)缺陷清除干凈。對(duì)于向母材擴(kuò)展的裂紋需要在裂紋端部打止裂孔，采用碳弧氣刨的方法清除缺陷。

（2）為確認(rèn)裂紋或其他超標(biāo)缺陷是否被清除干凈，需進(jìn)行100%PT檢測(cè)。如還存在裂紋或其他超標(biāo)缺陷，則繼續(xù)打磨，直至PT檢測(cè)后返修區(qū)域顯示無(wú)裂紋或其他超標(biāo)缺陷為止。打磨出的U型槽寬深比大于等于1，坡口兩端應(yīng)處理呈緩坡?tīng)?，底部、兩?cè)及兩端必須打磨平滑，避免坡口過(guò)深、過(guò)窄。

4.2" " 焊縫返修

4.2.1" " 焊前預(yù)熱

采用火焰加熱方式進(jìn)行焊前預(yù)熱，要求預(yù)熱溫度不得低于150 ℃。預(yù)熱必須均勻，預(yù)熱寬度應(yīng)為焊縫中心兩側(cè)各取120 mm。

4.2.2" " 焊接過(guò)程控制

返修前應(yīng)將坡口表面和兩側(cè)至少20 mm范圍內(nèi)PT檢測(cè)遺留的滲透劑和顯像劑等清理干凈。嚴(yán)格控制焊接層間溫度，層間溫度的范圍為150～300 ℃。返修過(guò)程中，每道焊接寬度不得大于4倍焊條焊芯的直徑。焊道與焊道、焊層與焊層之間的清理：道與道、層與層之間必須將焊渣、飛濺等清除干凈；同時(shí)，焊道之間、焊道與坡口表面之間形成的窄“V”形夾角也要打磨圓滑。返修過(guò)程中，焊接接頭必須修磨，防止應(yīng)力集中。每一焊層厚度不得大于3 mm。

4.2.3" " 焊接外觀質(zhì)量要求

返修焊縫成形良好，焊縫余高小于3 mm，必須圓滑過(guò)渡至原焊縫和母材，不允許存在咬邊、表面氣孔、弧坑、未填滿(mǎn)、夾渣、飛濺等缺陷。

4.3" " 無(wú)損檢測(cè)要求

返修時(shí)采用的無(wú)損檢測(cè)方法有[6]：超聲波檢測(cè)（UT）、磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）。采用滲透檢測(cè)確認(rèn)缺陷是否清除，符合《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第5部分：滲透檢測(cè)》（NB/T 47013.5—2015）規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格；焊縫返修完成應(yīng)進(jìn)行100%UT檢測(cè)和100%MT檢測(cè)，超聲波檢測(cè)技術(shù)級(jí)別為B級(jí)，符合《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》（NB/T 47013.3—2015）規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格；磁粉檢測(cè)的時(shí)機(jī)為焊后熱處理24 h后，符合《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》（NB/T 47013.4—2015）規(guī)定的Ⅰ級(jí)合格。

4.4" " 焊后熱處理

當(dāng)焊縫返修深度大于1/3板厚時(shí)需要重新進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理工藝曲線(xiàn)如圖4所示。

焊后熱處理要求：

（1）熱電偶的布置要求：每處返修焊縫至少布置一根熱電偶。

（2）焊后熱處理采用電加熱方式進(jìn)行，選用智能溫控箱進(jìn)行熱處理控制。

（3）焊后熱處理前，加熱區(qū)以外至少100 mm范圍應(yīng)予以保溫，避免產(chǎn)生較大的溫度梯度。

4.5" " 耐壓試驗(yàn)

當(dāng)返修深度大于1/2板厚時(shí)需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)核定的最高允許工作壓力為P，則耐壓試驗(yàn)壓力為1.25P；試驗(yàn)時(shí)，以水為介質(zhì)，壓力應(yīng)緩慢上升，當(dāng)壓力升至最高允許工作壓力時(shí)，對(duì)容器的所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)滲漏后繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力，保壓30 min進(jìn)行檢查；然后將壓力降至最高允許工作壓力，保壓15 min進(jìn)行檢查。檢查期間應(yīng)無(wú)壓降，以無(wú)滲漏、無(wú)可見(jiàn)變形、試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常響聲為合格。

5" " 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高壓加熱器進(jìn)行全面檢驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備安全運(yùn)行的隱患。本文分析了裂紋缺陷產(chǎn)生的可能原因，包括人孔角焊縫應(yīng)力集中、合金鋼鍛件淬硬傾向大、焊縫成形不良等。因此，在對(duì)缺陷進(jìn)行返修時(shí)，提出了焊前預(yù)熱、焊接過(guò)程控制、焊后熱處理和耐壓試驗(yàn)的要求，并對(duì)無(wú)損檢測(cè)的方法、時(shí)機(jī)做出了規(guī)定，從而保證焊縫的返修質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 蔡錫琮.高壓給水加熱器[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2] 吳楠，王志永，馮硯廳.國(guó)產(chǎn)600 MW機(jī)組高加管座焊接缺陷分析[J].華北電力技術(shù)，2006（7）：32-34.

[3] 萬(wàn)晉，陳晨曦，陳宇慧.高壓加熱器焊縫裂紋缺陷安全評(píng)定分析[J].化工機(jī)械，2016，43（6）：784-790.

[4] 壓力容器：GB/T 150—2011[S].

[5] 任曉虎，陳明，謝逍原，等.660 MW高壓加熱器接管角焊縫開(kāi)裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)（物理分冊(cè)），2017，53（7）：519-523.

[6] 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)：NB/T 47013.1～47013.13—2015[S].

收稿日期：2022-12-28

作者簡(jiǎn)介：蔡廣閩（1984—），男，廣西南寧人，碩士，工程師，研究方向：承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。