高寒地區的冬季施工焊接質量管控

騰志勇,鄭福民

（1.國華呼倫貝爾發電有限公司,內蒙古 呼倫貝爾 021025; 2.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司總規劃建設6臺600 MW超臨界直接空冷機組,首期工程建設為2臺600 MW超臨界機組,2010年雙機投產發電。

呼倫貝爾市位居歐亞大陸中緯度偏高地帶,冬季月平均溫度-26.2℃;最低氣溫-43.6℃。為了不影響施工進度,有些焊接工作必須在冬季進行。研究冬季施工影響焊接質量的不利因素及采取有效管控措施是保證冬季施工焊接質量的關鍵。

1 影響冬季施工焊接質量的不利因素

1.1 環境溫度低

a.環境溫度低、熔池冷卻速度快,導致焊縫硬度增加,改變焊縫金相組織,降低焊縫的沖擊韌性。

b.環境溫度低會使熔敷金屬冷卻速度加快,導致熔敷金屬中的氫不能有效逸出,增加焊縫的冷裂敏感性,易產生冷裂紋缺陷。

c.低溫環境下使焊口的預熱效果變差,保持焊縫層間溫度困難。

d.環境溫度低會使焊工操作困難,影響焊口合格率。

1.2 施工單位沒有在高寒地區冬季施工經驗

兩家施工單位都沒有在高寒地區安裝機組的業績。對低溫環境下進行焊接作業帶來的困難認識不足。在制定措施及執行過程中難免存在偏差,如果冬季焊接工藝制定出來后不符合現場實際情況或實施后效果不好,將會直接影響到焊接質量,為機組的安全、穩定運行埋下隱患。

1.3 國內沒有成熟的冬季焊接施工經驗可以借鑒

在冬季施工開始前,對當地的兩家電廠進行了調研。一家電廠二期工程為2臺600MW亞臨界機組,3、4號機組都在11月份完成了廠房采暖封閉工作。封閉后鍋爐廠房內溫度能達到0℃左右,施工過程中只要采取一些簡單的措施,環境溫度就能滿足焊接作業的要求。另一家為熱電廠,新建的2臺200MW供熱機組,施工工期短,建設速度快,在冬季施工前已經完成了廠房封閉且受熱面焊接工作基本結束,不存在冬季施工問題。

因此,沒有成功的經驗可以借鑒學習的情況下,只能依據對規程的理解制定施工方案。

2 冬季焊接施工采取的主要措施

2.1 對環境溫度的要求

允許進行焊接操作的最低環境溫度因鋼材類別不同分別為：A-Ⅰ為-10℃;A-Ⅱ、A-Ⅲ、B-Ⅰ類為0℃;B-Ⅱ、B-Ⅲ為5℃;C類不作規定。

“環境溫度”具體是指焊口周圍的小環境溫度還是指防護棚內的溫度,規程上并沒有明確的規定。如果將環境溫度規定為棚內溫度會存在以下問題。

a.溫度計的懸掛位置不一定能反映出焊接環境的真實溫度。

b.鋼管的實際溫度有可能低于保溫棚內溫度。由于棚內溫度與棚外相差太大,并且不可能將整根鋼管都罩在棚內,在熱傳導的作用下,鋼管的實際溫度低于棚內溫度。

因此將“環境溫度”規定為焊口周圍600～800 mm的范圍內較為合適。

2.2 保證環境溫度的措施

使用腳手架搭設防風棚,里面采用防火苫布,外面搭設棉苫布。棚內放置大功率的暖風機來提高環境溫度,見圖1。

圖1 焊接時搭設的防護棚

2.3 特殊情況下的焊前預熱要求

a.在0℃及以下低溫下,壁厚不小于6mm的耐熱鋼管、管件和厚度不小于34 mm的板件焊接時,預熱溫度可按規定值提高30～50℃。

b.在-10℃及以下低溫下,壁厚小于6mm的耐熱鋼管及壁厚大于15 mm的碳素鋼管焊接時應適當預熱。

實際證明,當環境溫度低于鋼材的允許焊接溫度時,根據不同類別的鋼材,只要進行適當預熱,或將預熱溫度提高30～50℃,能夠保證焊接質量。

2.4 焊口組對的要求

如果借用錘擊、倒鏈強拉、千斤項等外力進行強力對口,會在焊后產生非常大的殘余應力,導致焊縫提前失效。如在點焊后撤除強制器具,在后續的焊接過程中就可能導致焊縫產生裂紋。尤其是管子在低溫下,沖擊韌性降低,更容易發生上述問題。因此,在施工過程中禁止采用任何借助外力的方式進行焊口的組對。

圖2 焊前預熱

2.5 預熱措施

a.所有焊口都應采用熱處理設備進行預熱,并輔以火焰加熱。熱處理設備在焊接及焊縫冷卻過程中一直進行伴熱,用以保證層間溫度及冷卻速度不要太快,見圖2。

b.焊口下方鋪設腳手板,腳手板上面鋪上一層石棉布,用來擋風和防止發生火災事故。

c.焊后及時采用保溫棉對焊口及兩側300 mm進行包裹,以避免焊口冷卻速度過快產生裂紋缺陷。

d.焊口附近區域加設爐片或暖風機,并隨焊接位置的改變相應移動,確保焊口附近的小環境溫度滿足要求。

e.加強根焊縫的檢查,并及時進行次層焊接,焊口如無特殊原因應一次焊接完成,防止產生冷裂紋。

3 焊接過程的質量管控

保證冬季焊接質量的關鍵在于過程的管控,尤其是對焊口附近溫度的監測更是整個工作的重心。為保證焊接過程中焊口附近的溫度及預熱符合要求且可控、在控,采取如下措施。

a.冬季施工措施制定審批后,要求參建單位組織施工人員進行學習,強調做好冬季施工措施的必要性和重要性,使施工人員了解了冬季施工的具體工作和要求。

b.在采取搭防護棚、用電熱片和暖風器提高環境溫度的同時,加強了對焊口位置的溫度監測,環境溫度達到要求而焊口處溫度低同樣不允許進行焊接工作,見圖3。

圖3 實測管口溫度

c.要求施工單位的焊接工地每天安排專人在焊接前對各施工作業點進行溫度測量并做好記錄,確認施焊溫度符合要求并簽字確認后方可進行焊接工作。溫度測量記錄一式兩份,一份掛在焊接防護棚內,便于檢查,一份在每天下班前上報工程部存檔。

d.工程部鍋爐、金屬專業和監理人員每天對各個施工作業點進行檢查,每周組織參建單位對現場的冬季施工措施的執行情況進行專項檢查,以便及時發現問題及時解決。

4 冬季施工焊口的檢驗

為保證機組投產后能安全、穩定運行,對冬季施工的焊口進行了有計劃的檢驗工作。

a.對1號爐分隔屏的全部焊口和低溫再熱器的部分安裝焊口進行了復檢,共檢查分隔屏焊口2345道（UT）,低溫再熱器焊口216道（RT）、390道（UT）、390道（MT）,均未發現裂紋及疑似裂紋的缺陷存在。復檢比例約為冬季施工焊口總數的15%。?

圖4 低溫再熱器焊口斷面

圖5 焊縫金相組織

b.對1、2號爐低溫再熱器焊口隨機抽取了6根試樣進行折斷試驗,未見缺陷,見圖4。

c.對1號爐分隔屏冬季施工焊口（T91）進行了金相組織檢驗,金相組織為回火馬氏體,見圖5。

5 結論

a.呼倫貝爾發電有限公司1號機組于2010年11月20日通過168 h試運,2號機組于2010年12月1日通過168 h試運轉入商業運行,目前未出現冬季施工焊口泄漏問題,說明冬季施工焊口管控措施可靠、有效。

b.規程中對于“環境溫度”的概念較為模糊,如單純將保溫棚內溫度視為“環境溫度”將無法保證焊接質量。“環境溫度”應定義為施焊部件800mm范圍內,尤其是焊口兩側300 mm內的溫度。

c.對冬施的管控重點應放在焊口的預熱上面,這樣更有利于保證焊接質量。

d.采用電加熱片對施焊部位進行預熱,并結合大功率暖風器來提高保溫棚內溫度的方法,效果較好。

[1] 楊建平.火力發電廠焊接技術規程[M].北京：中國電力出版社,2004.

[2] 李益民.火力發電廠金屬技術監督規程[M].北京：中國電力出版社,2009.