熱電廠高壓加熱器的檢驗與缺陷處理

摘要：高壓加熱器是火電廠汽輪機組中給水回熱系統(tǒng)的重要設備，由于長期在高溫、高壓工況下運行，裂紋、腐蝕減薄等危害性缺陷可能會引起設備泄漏和爆炸事故，特別是結構不連續(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；通過定期檢驗來排查安全隱患，可有效保障設備安全運行。對某氧化鋁廠熱電分廠的兩臺高壓加熱器進行了定期檢驗，在進行磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)在人孔角焊縫處存在表面裂紋，進一步對發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫進行埋藏缺陷檢測，發(fā)現(xiàn)其存在整圈的未熔合。通過對四合環(huán)密封結構人孔的受力分析、人孔材質的化學成分分析、角焊縫結構分析及焊接過程因素分析，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力集中，人孔鍛件材質淬硬傾向大，角焊縫成形不良等。在對缺陷進行處理前，為保證返修質量，從消除焊接殘余應力的目的出發(fā)，針對性地對缺陷清除、焊前預熱、焊接過程控制、無損檢測、焊后熱處理以及耐壓試驗等過程給出了具體方案。

關鍵詞：高壓加熱器；應力集中；冷裂紋；缺陷處理

中圖分類號：TM621.2" 文獻標志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0075-04

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

0" " 引言

火力發(fā)電廠給水回熱系統(tǒng)的作用是從汽輪機不同壓力的中間級處抽出部分蒸汽，送到給水加熱器中對鍋爐給水進行加熱，是火電機組的主要系統(tǒng)組成。高壓加熱器是利用從汽輪機抽取的蒸汽加熱鍋爐給水的裝置，是給水回熱系統(tǒng)的一個重要組成部分。高壓加熱器有兩個作用，一是通過抽汽加熱給水（回熱）提高電廠熱效率；二是將給水加熱后，其進入鍋爐可減小溫差引起的熱應力[1]。由于高壓加熱器長期處于高壓、高溫工況下，裂紋、腐蝕減薄等缺陷可能會引起泄漏、爆炸等事故，將會造成巨大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡，特別是結構不連續(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，由于殘余應力大，容易產(chǎn)生缺陷[2-3]。因此，對高壓加熱器進行定期檢驗，可以有效排查安全隱患，保障其高效穩(wěn)定運行。

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

1" " 設備概況

受某氧化鋁廠委托，對其熱電分廠汽輪機機組的兩臺高壓加熱器進行檢驗。由于汽輪機機組維修調試的原因，兩臺高壓加熱器一直未正常運行，本次檢驗為首次定期檢驗。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，為立式結構，設備基本參數(shù)如表1所示。

2" " 檢驗情況

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構，本次檢驗現(xiàn)場不具備抽芯條件。因此，制定的檢驗方案以外表面的檢驗項目為主，主要進行了宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、超聲波檢測、安全附件檢查等項目的檢驗。

2.1" " 宏觀檢查

拆除外表面的隔熱層，依次根據(jù)結構和幾何尺寸、腐蝕、變形、開裂、支承、疏水和隔熱層下腐蝕等項目進行檢查，在檢查過程中未見變形及腐蝕。

2.2" " 壁厚測定

對水室封頭、汽側筒體、汽側封頭及接管等主要受壓元件分別進行壁厚測定，結果表明無明顯減薄。

2.3" " 無損檢測

2.3.1" " 磁粉檢測

對外表面的對接焊縫、接管角焊縫進行100%磁粉檢測，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

在筒體外表面對交叉對接焊縫進行超聲波檢測抽查，在檢測過程中，未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標缺陷。

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

2.4" " 安全附件檢查

對安全閥、壓力表、溫度計、液位計進行檢查。經(jīng)檢查，安全閥、壓力表均在有效期內，鉛封完好，壓力表的量程和精度等級符合要求，溫度計和液位計符合要求。

3" " 檢驗結果分析

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。常見的人孔形式有四合環(huán)自密封人孔、內置自密封人孔、大開口四合環(huán)密封人孔、法蘭強制焊接密封人孔等。本次檢驗的高壓加熱器人孔采用的是四合環(huán)自密封（又稱伍德密封），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)材質為20MnMoⅢ鋼鍛件，規(guī)格為?620×?420×320 mm，水室封頭材質為16MnR鋼，規(guī)格為?1 100×90 mm。為分析人孔應力情況，根據(jù)《壓力容器 第3部分：設計》（GB 150.3—2011）計算人孔筒節(jié)端部當量應力[4]。

經(jīng)計算得到，人孔筒體端部環(huán)向截面拉應力為：

筒體端部環(huán)向截面的彎曲應力為：

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

3.2" " 化學成分分析

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

根據(jù)IIW（國際焊接學會）推薦的碳當量公式（3）進行計算，人孔材料20MnMoⅢ鋼的碳當量約為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大大提高，焊接時產(chǎn)生冷裂紋的傾向大。在焊接過程中如工藝控制不當，在焊后易產(chǎn)生淬硬脆化裂紋。

3.3" " 焊縫結構分析

設計圖紙中規(guī)定的人孔筒節(jié)角焊縫坡口形式如圖3所示。在檢驗中對該角焊縫進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)整圈角焊縫的焊縫熔寬小，焊縫寬度在10～16 mm，說明其在制造時坡口加工寬度未達到設計要求，導致角焊縫的拘束度大，焊后殘余應力大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。

3.4" " 焊接過程因素分析

由于高加水室封頭壁厚較厚，焊縫焊接時采用多層焊，但是在每層焊接結束后，對表面藥皮清理不夠徹底，或者焊接時參數(shù)控制不當、焊接過快等，可能會在焊縫內部產(chǎn)生未熔合等超標缺陷，這些缺陷處就會產(chǎn)生應力集中，在應力作用下更容易產(chǎn)生裂紋[5]。

設計圖紙技術要求規(guī)定，在對人孔筒節(jié)和水室封頭焊接時要進行焊前預熱，并在焊接結束后進行熱處理以消除殘余應力。可能由于熱處理時極個別區(qū)域存在熱偏差，設備在熱處理后局部存在應力未完全消除的情況，隨著運行后應力逐步釋放從而在表面產(chǎn)生細小的延遲裂紋。

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要求加工，焊縫成形不良，焊接參數(shù)控制不當，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力未消除情況，在焊接應力、人孔角接接頭結構拘束應力的作用下，焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中，微裂紋經(jīng)擴展導致冷裂紋形成，從而在人孔角焊縫的焊趾處出現(xiàn)裂紋。

4" " 缺陷處理

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

4.1" " 缺陷清除

（1）確定裂紋及其他超標缺陷深度、位置后，采用碳弧氣刨+砂輪機打磨的方式將焊縫的裂紋及其他超標缺陷清除干凈。對于向母材擴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）為確認裂紋或其他超標缺陷是否被清除干凈，需進行100%PT檢測。如還存在裂紋或其他超標缺陷，則繼續(xù)打磨，直至PT檢測后返修區(qū)域顯示無裂紋或其他超標缺陷為止。打磨出的U型槽寬深比大于等于1，坡口兩端應處理呈緩坡狀，底部、兩側及兩端必須打磨平滑，避免坡口過深、過窄。

4.2" " 焊縫返修

4.2.1" " 焊前預熱

采用火焰加熱方式進行焊前預熱，要求預熱溫度不得低于150 ℃。預熱必須均勻，預熱寬度應為焊縫中心兩側各取120 mm。

4.2.2" " 焊接過程控制

返修前應將坡口表面和兩側至少20 mm范圍內PT檢測遺留的滲透劑和顯像劑等清理干凈。嚴格控制焊接層間溫度，層間溫度的范圍為150～300 ℃。返修過程中，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，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。返修過程中，焊接接頭必須修磨，防止應力集中。每一焊層厚度不得大于3 mm。

4.2.3" " 焊接外觀質量要求

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

4.3" " 無損檢測要求

返修時采用的無損檢測方法有[6]：超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）。采用滲透檢測確認缺陷是否清除，符合《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格；焊縫返修完成應進行100%UT檢測和100%MT檢測，超聲波檢測技術級別為B級，符合《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格；磁粉檢測的時機為焊后熱處理24 h后，符合《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》（NB/T 47013.4—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格。

4.4" " 焊后熱處理

當焊縫返修深度大于1/3板厚時需要重新進行焊后熱處理，焊后熱處理工藝曲線如圖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行，選用智能溫控箱進行熱處理控制。

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

4.5" " 耐壓試驗

當返修深度大于1/2板厚時需要進行耐壓試驗，檢驗核定的最高允許工作壓力為P，則耐壓試驗壓力為1.25P；試驗時，以水為介質，壓力應緩慢上升，當壓力升至最高允許工作壓力時，對容器的所有焊縫和連接部位進行檢查，確認無滲漏后繼續(xù)升壓至試驗壓力，保壓30 min進行檢查；然后將壓力降至最高允許工作壓力，保壓15 min進行檢查。檢查期間應無壓降，以無滲漏、無可見變形、試驗過程中無異常響聲為合格。

5" " 結語

通過對高壓加熱器進行全面檢驗，可以及時發(fā)現(xiàn)影響設備安全運行的隱患。本文分析了裂紋缺陷產(chǎn)生的可能原因，包括人孔角焊縫應力集中、合金鋼鍛件淬硬傾向大、焊縫成形不良等。因此，在對缺陷進行返修時，提出了焊前預熱、焊接過程控制、焊后熱處理和耐壓試驗的要求，并對無損檢測的方法、時機做出了規(guī)定，從而保證焊縫的返修質量。

[參考文獻]

[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.國產(chǎn)600 MW機組高加管座焊接缺陷分析[J].華北電力技術，2006（7）：32-34.

[3] 萬晉，陳晨曦，陳宇慧.高壓加熱器焊縫裂紋缺陷安全評定分析[J].化工機械，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裂原因分析[J].理化檢驗（物理分冊），2017，53（7）：519-523.

[6] 承壓設備無損檢測：NB/T 47013.1～47013.13—2015[S].

收稿日期：2022-12-28

作者簡介：蔡廣閩（1984—），男，廣西南寧人，碩士，工程師，研究方向：承壓類特種設備檢驗檢測。