高壓主汽調節閥接管焊接修復技術(shù)
某電廠(chǎng)百萬(wàn)機組高壓主汽調節閥在進(jìn)行材質(zhì)檢驗時(shí)發(fā)現，進(jìn)、出汽接管材質(zhì)與設計要求材質(zhì)不符，對機組的使用功能和安全保障有很大影響，需要更換和修復。本次修復將原有非對稱(chēng)型坡口優(yōu)化為對稱(chēng)型坡口形式，采用分散焊接順序，在不妨礙裝焊的原則下適當加裝固定拉筋，防止修復過(guò)程產(chǎn)生焊接變形和位移;焊接過(guò)程中，嚴格控制預熱溫度和層間溫度，焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理。結果表明，焊接修復后的接頭組織為回火馬氏體，閥門(mén)變形在設計允許范圍內，焊接質(zhì)量達到了JB/T4730-2005I級合格標準。
前言
某電廠(chǎng)1000MW機組高壓主汽調節閥在進(jìn)行材質(zhì)復驗時(shí)發(fā)現，進(jìn)、出汽接管材質(zhì)與設計要求材質(zhì)不符，既影響電廠(chǎng)的安裝周期，又使主汽調節閥在運行過(guò)程中存在安全隱患。為了將影響程度降至最低，必須在最短的時(shí)間內完成接管的更換。由于1000MW高壓主汽調節閥結構和材質(zhì)均比較特殊，是已發(fā)往電廠(chǎng)的成品，要在短時(shí)間內實(shí)現接管更換修復將面臨多方面的技術(shù)難題。
1、結構簡(jiǎn)介
1000MW高壓主汽調節閥由四個(gè)主汽閥和四個(gè)調節閥組成，每個(gè)閥門(mén)連接一個(gè)接管，閥門(mén)本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，進(jìn)、出汽接管材料均為P92鍛件。組焊工藝流程復雜、周期長(cháng)，整套閥門(mén)組焊完耗時(shí)至少需三個(gè)月，整套閥門(mén)組裝后質(zhì)量約80t。高壓主汽調節閥實(shí)物結構如圖1所示。
圖1 高壓主汽調節閥實(shí)物結構
2、技術(shù)難題分析
2.1、焊接性分析
閥門(mén)本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，屬于超低碳復相馬氏體鋼，焊接時(shí)淬硬性大，冷裂傾向明顯，容易形成脆化組織，成分為馬氏體和馬氏體+鐵素體組成的邊界區。冷卻速度較快時(shí)，易產(chǎn)生粗大馬氏體，焊縫熱影響區硬脆化;冷卻速度較慢時(shí)，易產(chǎn)生粗大鐵素體，焊縫熱影響區塑韌性顯著(zhù)下降。P92鋼屬于低碳(w(C)=0.07%～0.13%)高合金(合金含量大于10%)耐熱鋼，淬透性很強，含碳量較低，其冷裂紋敏感性并不大，但對溫度較為敏感，須嚴格控制預熱溫度和層間溫度。
2.2、更換接管技術(shù)難度分析
如圖1所示，組焊后的主汽閥接管焊縫無(wú)法像單件閥殼焊接時(shí)實(shí)現橫焊位，只能采用全位置焊接。由于同時(shí)去除了四組主汽閥接管、四組調節閥接管，改變了原有工藝的焊接模式，若同時(shí)更換接管，因主汽閥1#和2#、3#和4#接管開(kāi)檔距離為831mm，2#和3#之間距離為1232mm，如果四個(gè)管口同時(shí)焊接，操作時(shí)會(huì )產(chǎn)生干涉，另外，由于閥門(mén)空間狹小且加速器體積較大，射線(xiàn)探傷也會(huì )發(fā)生干涉。
閥門(mén)已精加工到位，閥體和接管焊縫必須“熱焊”，因坡口較深，焊接量大，很容易產(chǎn)生焊接變形。如果閥門(mén)變形，將直接導致閥門(mén)與閥蓋以及閥芯件無(wú)法裝配、密封，焊接變形控制非常難;電廠(chǎng)返回的閥殼是精加工件，焊后的熱處理只能采用局部回火，由于閥殼表面積較大，散熱面大且采用中頻熱處理時(shí)溫差較大，熱處理過(guò)程控制較難。
3、技術(shù)難題解決
3.1、接管焊接修復工藝
采用氧乙炔火焰加熱的方法進(jìn)行焊前預熱，預熱溫度為250℃～300℃，使用測溫儀測量預熱溫度。采用石棉布包裹焊縫兩側附近的接管和閥殼本體，避免熱量散失。采用手工氬弧焊打底，焊條電弧焊填充、蓋面，焊接參數見(jiàn)表1，氬氣流量8～15L/min，直流正接，焊接速度20～35mm/min，每道擺動(dòng)寬度小于等于10mm，每層堆焊厚度小于等于4mm，每焊完一層要及時(shí)進(jìn)行清理。預熱溫度達到后開(kāi)始焊接，層間溫度控制在300℃～350℃，焊接過(guò)程中不允許有任何缺陷。
表1 焊接參數表
3.2、接管焊接坡口優(yōu)化
如圖2a所示，原設計接管與閥殼焊接坡口為單邊30°V型非對稱(chēng)形式，坡口深，焊接工作量大，焊接變形不易控制，焊接過(guò)程容易發(fā)生干涉。本次修復采用了如圖2b所示的坡口角度為16°的對稱(chēng)型焊接坡口形式，焊接工作量小，焊接變形較易控制，節約了修復時(shí)間。
a優(yōu)化前
b優(yōu)化后
圖2 主汽閥裝焊坡口優(yōu)化
3.3、焊接變形控制
接管與閥殼為對接環(huán)焊縫，坡口深度約180mm，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生角變形，這將影響高壓主汽調節閥進(jìn)、出汽接管與電廠(chǎng)管道的安裝精度，所以在修復過(guò)程中應嚴格控制接管與閥殼的焊接變形。主要采取了以下措施進(jìn)行控制：
(1)裝配要求。坡口根部徑向及軸向錯位不超過(guò)±1mm，兩側坡口間隙為2mm，在不妨礙裝焊的原則下適當加裝固定拉筋，以防止焊接過(guò)程中產(chǎn)生變形和位移。
(2)焊接參數的選取。為減小熱量輸入合理控制焊接變形，焊接時(shí)盡量采用小線(xiàn)能量的焊接參數。
(3)焊接順序的確定及焊接變形的監測。為避免操作工對稱(chēng)焊接時(shí)受操作空間的限制，在保證返修周期的前提下，采用分散焊接順序，優(yōu)先裝配并焊接1#、3#主汽閥接管，再裝配焊接2#、4#接管。采用兩人對稱(chēng)施焊順序，實(shí)行多層多道焊接，施焊中注意焊道間的交錯和結合，避免出現“死角”，并保持焊道平整，焊道布置示意如圖3所示。焊接過(guò)程中厚度方向每焊30mm須檢測接管與閥殼中心以及接管與接管中心相對尺寸。
圖3 焊道布置示意
(4)降低溫度梯度。焊接時(shí)閥殼外部始終采用中頻感應加熱，內部采用柔性陶瓷電阻加熱片進(jìn)行補熱，使工件焊接部位的溫度維持在200℃～250℃。
(5)探傷時(shí)間的確定。為降低返修焊接缺陷的風(fēng)險，避免因重復返修焊縫而造成的焊接變形，在焊接至80mm深時(shí)停止焊接并進(jìn)行無(wú)損檢驗，合格后方可繼續焊接。
3.4、焊后熱處理控制
由材料焊接性可知，ZG1Cr10Mo1NiWVNbN淬硬性大、冷裂傾向明顯，P92鋼對溫度敏感，為防止接頭產(chǎn)生缺陷，焊接后應及時(shí)對接頭進(jìn)行熱處理。為了驗證修復后接頭的微觀(guān)組織，在焊接產(chǎn)品的同時(shí)，采用相同的工藝焊接試驗塊，并與產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行熱處理。本次修復焊縫外部采用中頻感應加熱器，內部采用柔性陶瓷電阻加熱片補熱，溫度采用沿焊縫周向對稱(chēng)布置的四只熱電偶進(jìn)行監控。升溫速度不超過(guò)80℃/h，降溫速度不超過(guò)60℃/h(200℃以下不控制降溫，自然冷卻)，為了充分得到回火組織，溫度控制在710℃～730℃，保溫8h。
試驗塊熱處理后的焊縫接頭微觀(guān)組織如圖4所示。由圖4可知，焊縫、熱影響區和熔合區均為回火馬氏體組織，具有良好的沖擊韌性和高而穩定的持久塑性及熱強性能。
a焊縫區
b熱影響區
c熔合線(xiàn)
圖4 試驗塊焊縫微觀(guān)組織
4、接管更換后的產(chǎn)品檢驗
通過(guò)對焊縫布氏硬度(見(jiàn)圖5)進(jìn)行檢驗可知，接頭硬度處于180～230HB，最大值位于焊縫中心區域。由此可知，經(jīng)過(guò)熱處理后的焊縫獲得了與母材相近的硬度值。
經(jīng)無(wú)損探傷檢驗，接管焊縫質(zhì)量達到射線(xiàn)探傷標準和超聲波探傷標準Ⅰ級檢驗要求。閥殼形位公差檢驗結果如表2所示。由表2可知，各主要形位面的變形量均在設計要求的0.10mm范圍之內，滿(mǎn)足裝配要求。
表2 閥門(mén)各主要形位面變形量 mm
圖5 焊接接頭顯微硬度分布
5、結論
(1)百萬(wàn)機組高壓主汽調節閥接管更換技術(shù)難度大，通過(guò)對ZG1Cr10Mo1NiWVNbN和P92材質(zhì)對接環(huán)焊縫檢驗可知，本次修復有效地避免了裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生，焊后獲得了回火馬氏體組織，保證了焊接接頭的性能。
(2)將原有焊接坡口進(jìn)行優(yōu)化設計，采用分散焊接順序，并適當加裝固定拉筋，有效防止了修復過(guò)程產(chǎn)生焊接變形和位移，焊接順序合理。
