壓力容器不等厚管壁焊接工藝技術(shù)

張兆利

(山東誠信工程建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山東 濟南 250100)

0 引言

在現(xiàn)代社會中，對電力的需求量越來越大，為滿足對電力的需求，火力發(fā)電成為發(fā)電的重要途徑之一。現(xiàn)代火力發(fā)電中使用的鍋爐大多數(shù)采用焊接結(jié)構(gòu)，要確保火力發(fā)電的正常運行就要保證鍋爐的高質(zhì)量焊接。本文針對壓力容器不等厚焊口的典型開裂焊口進行焊接工藝、焊后熱處理、應(yīng)力分析，并提出改進措施。

1 不等厚壓力容器焊口開裂案例與分析

1.1 主蒸汽法蘭與管材焊口開裂案例

某電廠高壓汽缸進汽門管材規(guī)格為Φ219×26，材質(zhì)為12Cr1MoV；法蘭規(guī)格為Φ251×42，管材與法蘭對接焊口厚度相差16 mm。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，管材和長頸法蘭焊口開裂，焊口開裂位置如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場檢測，焊口處母材硬度為HB140，焊縫硬度為HB195；光譜復(fù)檢材質(zhì)為12Cr1MoV，均符合標準規(guī)定要求。開裂部位在熔合線上，確定開裂區(qū)為焊接接頭，而不是在母材上。

圖1 焊口開裂位置

1.2 開裂原因分析

由于焊工焊接時,未能執(zhí)行規(guī)范中的焊接工藝，從而導(dǎo)致焊口根部出現(xiàn)缺欠。另外根據(jù)該焊口熱處理原始記錄、熱處理原始曲線，反映出現(xiàn)場焊口熱處理狀態(tài)不符合規(guī)定要求，從而導(dǎo)致焊接接頭熱處理質(zhì)量與規(guī)范有差異，導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力、淬硬組織、氫聚集等危害性缺欠。由于該焊口為法蘭與管件不等厚焊接，未對坡口進行再加工，從而導(dǎo)致焊縫母材側(cè)強度低于法蘭側(cè)，母材側(cè)受力截面小于法蘭側(cè)受力截面，造成開裂部位是母材側(cè)熔合線處而不是法蘭側(cè)熔合線。

結(jié)合上述因素，由于運行應(yīng)力、管道受熱產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力、焊口殘留焊接應(yīng)力和電廠運行時產(chǎn)生的交變應(yīng)力共同集中于該焊接接頭部位，從而在啟機的情況下導(dǎo)致焊口根部缺欠部位形成應(yīng)力集中區(qū)，產(chǎn)生尖銳缺口，又在高溫高壓作用下，造成受力截面驟然減少而使焊口承受不住超高壓力而開裂。

2 改進措施

2.1 焊接工藝

由于該焊口為法蘭與管件不等厚焊接，針對材料進行焊接工藝改進。該管材12Cr1MoV屬于低合金耐熱鋼,控制低合金耐熱鋼焊接工藝最重要的原則是避免淬硬組織和裂紋產(chǎn)生。焊接工藝改進措施為：①選用焊接材料為R31或R317；②控制焊接工藝參數(shù)，即適當增加焊接線能量E、提高預(yù)熱溫度T以及采用多層多道焊工藝，防止奧氏體晶粒粗化、焊接接頭冷裂傾向、硬化組織產(chǎn)生和促進氫的逸出。

2.2 焊后熱處理

施工人員要了解焊后熱處理的重要性，其有三種作用：①減輕殘余應(yīng)力；②改善組織、降低淬硬性；③減少擴散氫。通過正確的焊后熱處理能更好地消除焊接殘余應(yīng)力和改善焊接接頭組織性能，減少淬硬性，在很大程度上降低焊口冷裂紋出現(xiàn)的可能性。焊后消氫處理和焊后消除應(yīng)力熱處理是現(xiàn)場施工改善焊接接頭力學(xué)性能的重要措施。

2.3 工件加工

本文研究的焊口為法蘭與管件不等厚焊接，工件厚度相差16 mm，直接施焊無法保證整體焊接質(zhì)量。為了避免焊后設(shè)備運行時各種應(yīng)力集中在焊口與法蘭截面突變處，從而導(dǎo)致焊口開裂，又因為焊接應(yīng)以薄壁工件厚度為主，所以管材整體焊口不需要再加工，只對法蘭焊口進行加工。依據(jù)DLT869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》標準中4.3.4(b)的要求，不同厚度焊件組對且厚度差大于10 mm時，其焊口應(yīng)按照圖2所示進行加工，加工后的法蘭焊口如圖3所示。

圖2 工件厚度差大于10 mm時焊口的加工示意圖

3 對采取措施后的焊口進行理化檢測和無損檢測驗收

3.1 理化檢測

光譜分析是防止錯用焊材的重要手段，按照DL/T991進行檢驗，經(jīng)光譜分析確認材質(zhì)不符的焊縫判定為不合格焊縫。硬度檢驗是檢測焊后熱處理是否合格的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，應(yīng)符合標準GB/T17394的要求。當合同或設(shè)計文件規(guī)定或驗證需要時，應(yīng)按照DL/T884的規(guī)定進行焊接接頭的現(xiàn)場微觀金相檢驗。經(jīng)對焊接成型后的壓力管道不等厚焊口進行光譜分析、硬度檢驗和金相檢驗，達到了標準和設(shè)計文件的要求。

3.2 無損檢測

無損檢測是保證焊口焊接工藝質(zhì)量的一種輔助手段，對焊口進行100%超聲檢測，應(yīng)符合標準NB/T47013的規(guī)定要求。經(jīng)對焊接成型后的壓力管道不等厚焊口進行無損檢測，達到了標準的要求。

圖3 加工后的法蘭焊口

4 結(jié)語

本文針對該壓力管道不等厚焊口的典型開裂焊口，進行了焊接工藝、焊后熱處理和應(yīng)力分析，對工件焊接工藝、焊后熱處理、坡口改進，從而避免了在高溫高壓作用下造成受力截面驟然減少而使焊口承受不住超高壓力而開裂，對不等厚管道焊口質(zhì)量的提升具有參考價值。