高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁制造技術(shù)和質(zhì)量控制探討

蒲貴明

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，甘肅 蘭州 730050）

能源向來(lái)是每個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈之一，而火電仍然是我國(guó)電力能源系統(tǒng)的主力軍。未來(lái)燃煤火電技術(shù)依舊需要保持高效、清潔的特點(diǎn)[1]，二次再熱超超臨界鍋爐技術(shù)無(wú)疑是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最能實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的燃煤鍋爐。在歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)開(kāi)始研究700℃燃煤鍋爐技術(shù)[2]，而我國(guó)的二次再熱燃煤鍋爐技術(shù)大多停留在600℃左右，主要被限制于材料的使用性能。因此，為研究高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐技術(shù)，首先需要突破材料的限制。

高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐技術(shù)，其上部水冷壁溫度較高，普通的耐熱鋼材料很難滿足高溫持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，能滿足要求的鎳基合金，又因?yàn)槌杀咎叨鵁o(wú)法使用。目前，國(guó)內(nèi)較理想的備選材料有SA-213T23 和SA-213T91，這兩種材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，SA-213T91 材料更為成熟，在我國(guó)電站鍋爐蛇形管部件上有大量應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)其性能掌握也比較透徹。但SA-213T91材料在水冷壁上運(yùn)用較少，國(guó)內(nèi)大多也只應(yīng)用在循環(huán)硫化床鍋爐高溫過(guò)熱器和高溫再熱器的直管屏中。由于SA-213T91 焊接性能差，抗裂性能也較低[3]，同時(shí)，水冷壁的制造過(guò)程需要彎制，彎制過(guò)程加速了SA-213T91 的開(kāi)裂性。因此，開(kāi)展SA-213T91 水冷壁制造技術(shù)和質(zhì)量控制試驗(yàn)至關(guān)重要。

1 上部水冷壁制造結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁結(jié)構(gòu)采用鋼管+鰭片的拼屏型式，即先將鋼管與扁鋼以角接的方式焊接成小管屏，再將幾片小管屏通過(guò)焊接組裝成大管屏，繼而進(jìn)行后續(xù)的成排彎等工序，其組裝拼屏型式如圖1 所示。

圖1 上部水冷壁組裝拼屏型式

2 試驗(yàn)過(guò)程與質(zhì)量控制

2.1 材料準(zhǔn)備

水冷壁制造所用鋼管材質(zhì)為SA—213T91（Ф32×7 mm），鰭片所用扁鋼材質(zhì)為SA—387GR91C12（6×13 mm），焊接管屏所用焊材為氣體保護(hù)焊鋼焊絲ER90S—B9（Ф1.2 mm/Ф2.4 mm）。

2.2 主要設(shè)備情況

本試驗(yàn)中主要用到的設(shè)備有：12 頭MPM 混合氣體保護(hù)焊電焊機(jī)、半自動(dòng)混合氣體保護(hù)焊電焊機(jī)、龍門焊電焊機(jī)，臥式液壓成排彎?rùn)C(jī)、龍門氣割機(jī)等。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程及控制

本次試驗(yàn)采用15 根SA-213T91（L=3 m）鋼管和14 根SA-387GR91C12（L=3 mm）扁鋼作為試驗(yàn)材料。按照數(shù)量均分為兩大組，第一大組用半自動(dòng)混合氣體保護(hù)焊（后文簡(jiǎn)稱GMAW 焊）焊妥鋼管與扁鋼角焊縫，第二大組用MPM 自動(dòng)焊接妥鋼管與扁鋼角焊縫，每一大組又分為兩小組，每個(gè)小組分別用各自的焊接方法進(jìn)行焊接組裝成次大屏，最后通過(guò)GMAW 焊將兩個(gè)次大屏組裝成大管屏。根據(jù)管屏焊接組裝方式不同，將小管屏標(biāo)分為MPM-1、MPM-2、GMAW-1、GMAW-2 共四組，其具體組屏型式如圖1 所示。組裝后的管屏用臥式液壓成排彎?rùn)C(jī)進(jìn)行管屏成排彎，成排彎前對(duì)成排彎區(qū)域管屏進(jìn)行中間退火熱處理。成排彎后進(jìn)行最終的熱處理，最后對(duì)成排彎區(qū)域取樣送檢。文獻(xiàn)[4]中曾提到水冷壁的制造工藝流程，與本文基本相同，其具體試驗(yàn)流程如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)流程圖

（1）焊前準(zhǔn)備。焊接前需要對(duì)鋼管進(jìn)行噴丸處理，對(duì)扁鋼表面的油漆、鐵銹等進(jìn)行打磨，以露出表面金屬光澤。

（2）裝配過(guò)程。所有鋼管與扁鋼先進(jìn)行預(yù)裝配，在其端部采用手工電弧焊點(diǎn)焊固定。對(duì)MPM-1 和MPM-2 兩組管屏，分別用12 頭MPM 焊機(jī)進(jìn)行拼屏焊接（焊前預(yù)熱200℃），焊后兩個(gè)小管屏出現(xiàn)輕微旁彎，其最大旁彎距離為15 mm，校正后用MPM自動(dòng)焊焊接組成次大屏。對(duì)GMAW-1 和GMAW-2兩組管屏，分別用GMAW 手工焊機(jī)進(jìn)行拼屏焊接（焊前預(yù)熱200℃），焊后兩個(gè)小管屏也同樣出現(xiàn)不同程度的旁彎，其最大旁彎距離為20 mm，校正后用GMAW 手工焊焊接組成次大屏。最后，用GMAW 手工焊將兩個(gè)次大屏組成大管屏（焊前預(yù)熱200℃），其所用焊接方法的具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。在對(duì)整個(gè)管屏的鋼管與扁鋼角焊縫進(jìn)行100%PT 檢查后，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，然后對(duì)成排彎區(qū)域管屏采用局部中間熱處理以消除殘余應(yīng)力，降低成排彎時(shí)管屏角焊縫出現(xiàn)開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，熱處理溫度為760℃，保溫時(shí)間為1 h。在管屏中需裝孔組件位置，采用龍門氣割機(jī)在管屏上挖孔，并機(jī)加工倒角修磨鋼管對(duì)接坡口，采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）焊妥已彎曲成型的孔組件接管與管屏中鋼管對(duì)接焊口，經(jīng)RT 探傷所有接管對(duì)接焊口一次合格，驗(yàn)證了GTAW 焊焊接SA-213T91 鋼管對(duì)接焊縫具有一定的可靠性。孔組件中剩余鋼管與扁鋼角焊縫則采用龍門焊妥。

表1 焊接參數(shù)

（3）成排彎。采用臥式液壓成排彎?rùn)C(jī)對(duì)管屏進(jìn)行成排彎，設(shè)定彎曲半徑為147 mm，角度為132.5°，彎后測(cè)得實(shí)際彎曲角度為128°，回彈了5°左右，其試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3 所示。成排彎后對(duì)成排彎區(qū)域進(jìn)行熱校正，使彎曲角度達(dá)到設(shè)定值，如圖4 所示。

圖3 成排彎試驗(yàn)

圖4 熱校正

（4）最終熱處理。對(duì)成排彎區(qū)域角焊縫進(jìn)行100%PT 探傷，發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、表面氣孔等缺陷，然后進(jìn)行通球（通球直徑為0.77Dn）檢查，一次通過(guò)，最后對(duì)整個(gè)管屏進(jìn)行最終的退火熱處理，其熱處理溫度為760℃，保溫時(shí)間為1 h。

（5）微觀檢查。對(duì)成排彎區(qū)域管屏切割取樣送檢，按照GB/T 16507-2013《水管鍋爐》中對(duì)鍋爐膜式壁管屏焊接工藝評(píng)定附加要求的規(guī)定，從4 組管屏成排彎區(qū)域角焊縫中分別取一個(gè)試樣進(jìn)行焊腳尺寸及微觀檢查，其焊腳尺寸測(cè)量示意圖如圖5 所示，焊腳尺寸及微觀檢查結(jié)果見(jiàn)表2，經(jīng)過(guò)計(jì)算，焊腳尺寸滿足GB/T 16507-2013 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 焊腳尺寸取樣示意圖

表2 焊腳尺寸及微觀檢查結(jié)果 （單位：mm）

3 試驗(yàn)結(jié)論

（1）SA-213T91 管屏中鋼管與扁鋼角焊縫焊后有旁彎，其中半自動(dòng)混合氣體保護(hù)焊的旁彎量大于MPM 自動(dòng)焊。

（2）對(duì)管屏中MPM 自動(dòng)焊和半自動(dòng)混合氣體保護(hù)焊鰭片角焊縫進(jìn)行微觀檢驗(yàn)，微觀發(fā)現(xiàn)焊縫根部有未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。缺陷均發(fā)生在角焊縫根部，常常是由于根部未焊透、夾渣、氣孔等缺陷引起。

（3）對(duì)SA-213T91 水冷壁管屏進(jìn)行成排彎后，容易引起角焊縫根部裂紋、氣孔等缺陷。

（4）手工鎢極氬弧焊可用于SA-213T91 小規(guī)格鋼管的對(duì)接。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)SA-213T91 管屏在成排彎后，易在角焊縫根部出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷的問(wèn)題，可采取針對(duì)性的控制措施用以驗(yàn)證：焊接管屏?xí)r，成排彎區(qū)域僅對(duì)鋼管點(diǎn)焊固定，成排彎后，再打磨去除點(diǎn)焊焊縫，并冷校彎頭達(dá)到所要求的尺寸精度后，再采用手工焊焊妥成排彎區(qū)域的扁鋼角焊縫。