CFB锅炉降水管ST48高压管道的焊接.doc

CFB锅炉降水管厚壁异口径高压管道的焊接冷祯皋(华电内江发电总厂，四川内江641006)摘要：引进芬兰的循环流化床锅炉，其汽包返包中国。降水管采用了德国碳素钢St45.8，与降水管相连的汽包管座采用了国产珠光体耐热钢15CrMo。该焊接接头为高压、厚壁、异口径的焊接。介绍了焊口的结构形式及工作条件，分析了异种材料的焊接性能，并对其焊接及热处理工艺措施作出全面阐述。关键词：循环流化床锅炉；汽包管座与降水管；高压；异径异材；焊接工艺 中国重点能源环保科研项目，引进芬兰的410 t/h大型循环流化床锅炉，其457.230下降管在芬兰工厂制造，采用了德国碳素钢St45.8，而锅炉汽包又由芬兰制造商返包中国某锅炉厂，汽包上与集中下降管相连的50863管座采用中国耐热钢15CrMo。如图1所示，与汽包相连的垂直向下4根下降管，每根分成三段，由芬兰供货商在其生产车间分段生产，现场对接。该下降管现埸安装厚壁大口径焊口共16个，其中与汽包管座相连的4 个焊口为异种材料、异种管径的焊接。 1下降管结构及工作参数CFB（循环流化床）锅炉汽水系统为自然循环型式，给水经省煤器进入汽包。如图1所示，汽包内的水通过汽包50863管座流经4根457.230的下降管，进入锅炉底部的4只下降管入口联箱。水分配进入水冷壁底部的进口联箱。其中a、b、c、d为异种材料、异种管径、厚壁大口径高压焊口的焊接。管道垂直固定，焊口处于横焊位置，其工作参数及检验要求见表1。2对焊口材料焊接性能的分析2.1St45.8焊接性能分析化学成份及机械性能如表2、表3所示，St45.8是按德国DIN17175标准生产的碳素钢管，其化学成分和力学性能与中国钢材20G相近。由于含碳量及其合金元素较少，强度不高、塑性好，具有优良的焊接性能，广泛用于电站锅炉的汽水系统。一般不需要特殊的工艺措施即可得到优质的焊接接头，这种材料几乎适用于各种焊接方法。当母材、焊接材料成分不合格，如C、S、P含量偏高时，焊口也有可能产生热裂纹。工艺上应采用合理的焊缝成形系数，选用碱性低氢型焊条，均可防止热裂纹的产生。一般情况下焊接不需要预热，但本焊口在现场组装时刚性大，要考虑预热和热处理措施，一般St45.8本身要求预热温度为100200 ，回火温度为600650 。必须结合15CrMo焊接特点综合考虑预热及热处理温度。手工电弧焊时，中国生产的J427、J507与St45.8相匹配，J427用于一般结构，J507焊条用于重要结构。中国电力行业，常采用上海电力修造厂生产的Tig-J50氩弧焊焊丝作为填充材料对承压焊口进行钨极氩弧焊打底焊（Tig钨极氩弧焊）。2.215CrMo焊接性能分析化学成份及机械性能如表2、表3所示，15CrMo是按中国GB 5310标准自已生产的珠光体耐热钢。其含碳量及合金元素较多，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，当焊件刚性及接头应力较大时，容易产生冷裂纹。焊后热处理过程中，也可能发生再热裂纹。按照中国电力行业DL 500792标准（电力建设施工及验收规范 焊接篇），壁厚10的15CrMo管材，在焊前的定位焊和正式施焊一样，均需150250 的预热。施焊过程中焊件不得低于预热温度。应尽可能一次焊完，以免因间断焊接过程而产生接头开裂现象。焊后如不能及时热处理，则焊后要进行后热处理。为消除焊接应力，改善接头机械性能，提高高温性能和防止变形，焊后应及时高温回火，就15CrMo本身而言，它的回火温度应是670700 。中国电站建设施焊15CrMo承压管道时，常采用上海电力修造厂生产的Tig-R30氩弧焊焊丝作填充材料进行钨极氩弧焊打底，用R207或R307手工电弧焊盖面。3焊接材料的最终选用对于这样的承压焊口，在电站安装过程，为确保焊接质量，一般采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的焊接方法。异种钢焊接时，焊接材料选用原则是：在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，如果不可能兼顾焊缝金属的强度和塑性，则选用塑性较好为焊接材料；异种钢焊接材料的焊缝金属性能只需符合两种母材的一种即认为满足技术要求；焊接材料应具有良好的工艺性能，焊缝成型美观，焊接材料经济易得。相关焊接材料化学成份及机械性能如表2、表3所示。从成本和质量考虑，钨极氩弧焊打底焊丝采用由芬兰提供的瑞典伊萨公司生产的OK13.09实芯焊丝，手工电弧焊盖面采用国产J507焊条。OK13.09实芯焊丝是0.5%Mo系气保焊焊丝，用于焊接低合金高强度钢和耐热钢，它主要与德国15Mo3和国产16Mo匹配，焊缝合金成份间于St45.8和15CrMo合金成份之间。J507焊条是按照St45.8的高匹配原则选用。4接头坡口设计焊接接头型式和坡口尺寸，取决于焊件的结构形状和厚度，接头的力学和冶金性能要求以及施工条件等。对接接头是焊接结构常见的接头型式，U型坡口可减少焊缝填充金属量，焊后变形也很小，但坡口加工相对困难，一般用于重要焊接结构。管座及接头外形尺寸如图2(a)所示，管座为50863,与之对接的下降管为457.230。此焊口离汽包405 mm，离地面41 400 mm。如图2(b)所示，管壁厚度相差33 mm，外壁相差24.5 mm，内壁厚相差7.6 mm。按照中国电力行业标准电力建设施工及验收规范火力发电厂焊接篇（DL500792）的规定，可将坡口设计为图2(c)。在工程实际施工中，采用了图2d所示的芬兰技术文件提供的坡口设计。两种坡口型式对比，图2d更容易加工，而且管座外圆加工了一个50 mm长的直段，对于操作者更容易保证质量。5工艺措施1）按规程对汽包降水管管座进行光谱检查，防止错用合金材料。2）清除坡口油、锈、水份等杂质。3）焊前预热。4）施焊过程的层间温度高于等于400 时，应停止施焊，待冷却至预热温度再继续施焊。5）为保证承压焊口内壁清洁和根部质量，焊接方法采用Tig+SMAW(SMAW-手工电弧焊)。6）不得在焊件表面引弧、试电流或随意焊接临时支撑。7）点固焊的焊接材料、焊接工艺、焊工和预热温度应与正式施焊完全相同。对口根部点固焊时，点焊后检查各焊点质量，如有缺陷及时清除并重新点焊；如图3所示，在圆周方向均布三块临时点固块。当去除临时点固物时，不应伤及母材，并将残留焊疤清除干净、打磨平整。8）焊口施焊6层10道，各焊道施焊顺序见图4所示。焊接工艺参数见表4，各焊道具体焊接方法、焊接材料及焊接电流见表5。钨极氩弧焊后，应及时进行次层焊道的焊接，以防裂纹产生。施焊过程中，应逐层检查，自检合格后方可施焊次层，直至完成。9）为减少焊接变形和焊接缺陷，焊口采用二人对称施焊法。如图5所示，打底焊时，焊工A施焊A1段时，焊工B在对面观察根部熔透情况，焊工B施焊B2段时，焊工A同样透过接口间隙观察对方施焊根部熔透情况，如此类推，焊工A施焊A3后，焊工B再施焊B4。手工电弧焊盖面时，焊工A施焊A1时，焊工B同时施焊B1，焊工A施焊A2时，焊工B同时施焊B2。10）施焊中，注意接头和收弧质量，收弧时将熔池填满，焊道接头要错开。11）要求焊口连续焊成。12）焊口焊完后进行清理，自检合格后在焊缝附近打上焊工本人的代号钢印作为永久性标记。13）为降低焊接接头的残余应力，改善焊缝金属的组织与性能，焊后及时进行热处理。如图6所示，预热温度200 ，不后热，升温速度200 /h，热处理温度66010 ，恒温时间1.5 h，降温速度200 /h，层间温度400 ，加热方式，远红外，降温过程300 以下可不控制。14）热处理时，测温点对称布置在焊缝中心两侧。热处理恒温时，加热范围内任意两测点的温差应低于50 。15）热处理测温必须准确可靠，采用自动温度记录。6质量检验上述4个焊口在热处理后，按照当时的锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波探伤级质量标准进行了100的超声波探伤检查。其中焊口a、c、d未发现缺陷，焊口b发现了超标的气孔或夹渣缺陷。经分析缺陷是由于层间清渣不彻底造成，于是对缺陷进行了挖除，按原工艺方法补焊并重新热处理。再进行100的超声波探伤检查合格。焊缝经100的硬度检查，4个焊口焊缝最高硬度为HB224。中国电力行业DL 500792标准规定，15CrMo合金总含量3，焊缝硬度应HB270，而芬兰方面提供技术文件中规定了S