高壓主汽調(diào)節(jié)閥接管焊接修復(fù)技術(shù)

【摘要】某電廠百萬機(jī)組高壓主汽調(diào)節(jié)閥在進(jìn)行材質(zhì)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出汽接管材質(zhì)與設(shè)計(jì)要求材質(zhì)不符，對(duì)機(jī)組的使用功能和安全保障有很大影響，需要更換和修復(fù)。本次修復(fù)將原有非對(duì)稱型坡口優(yōu)化為對(duì)稱型坡口形式，采用分散焊接順序，在不妨礙裝焊的原則下適當(dāng)加裝固定拉筋，防止修復(fù)過程產(chǎn)生焊接變形和位移；焊接過程中，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和層間溫度，焊后及時(shí)進(jìn)行熱處理。結(jié)果表明，焊接修復(fù)后的接頭組織為回火馬氏體，閥門變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量達(dá)到了JB/T4730-2005I級(jí)合格標(biāo)準(zhǔn)。
0.前言
某電廠1000MW機(jī)組高壓主汽調(diào)節(jié)閥在進(jìn)行材質(zhì)復(fù)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出汽接管材質(zhì)與設(shè)計(jì)要求材質(zhì)不符，既影響電廠的安裝周期，又使主汽調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行過程中存在安全隱患。為了將影響程度降至最低，必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成接管的更換。由于1000MW高壓主汽調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)和材質(zhì)均比較特殊，是已發(fā)往電廠的成品，要在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)接管更換修復(fù)將面臨多方面的技術(shù)難題。

1.結(jié)構(gòu)簡介
1000MW高壓主汽調(diào)節(jié)閥由四個(gè)主汽閥和四個(gè)調(diào)節(jié)閥組成，每個(gè)閥門連接一個(gè)接管，閥門本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，進(jìn)、出汽接管材料均為P92鍛件。組焊工藝流程復(fù)雜、周期長，整套閥門組焊完耗時(shí)至少需三個(gè)月，整套閥門組裝后質(zhì)量約80t。高壓主汽調(diào)節(jié)閥實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高壓主汽調(diào)節(jié)閥實(shí)物結(jié)構(gòu)
2.技術(shù)難題分析
2.1 焊接性分析
閥門本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，屬于超低碳復(fù)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(qū)。冷卻速度較快時(shí)，易產(chǎn)生粗大馬氏體，焊縫熱影響區(qū)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(qū)塑韌性顯著下降。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(qiáng)，含碳量較低，其冷裂紋敏感性并不大，但對(duì)溫度較為敏感，須嚴(yán)格控制預(yù)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法像單件閥殼焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)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，由于閥門空間狹小且加速器體積較大，射線探傷也會(huì)發(fā)生干涉。
閥門已精加工到位，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。如果閥門變形，將直接導(dǎo)致閥門與閥蓋以及閥芯件無法裝配、密封，焊接變形控制非常難；電廠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，熱處理過程控制較難。

3.技術(shù)難題解決
3.1接管焊接修復(fù)工藝
采用氧乙炔火焰加熱的方法進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為250℃～300℃，使用測溫儀測量預(yù)熱溫度。采用石棉布包裹焊縫兩側(cè)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(shù)見表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(yù)熱溫度達(dá)到后開始焊接，層間溫度控制在300℃～350℃，焊接過程中不允許有任何缺陷。

表1 焊接參數(shù)表
3.2接管焊接坡口優(yōu)化
如圖2a所示，原設(shè)計(jì)接管與閥殼焊接坡口為單邊30°V型非對(duì)稱形式，坡口深，焊接工作量大，焊接變形不易控制，焊接過程容易發(fā)生干涉。本次修復(fù)采用了如圖2b所示的坡口角度為16°的對(duì)稱型焊接坡口形式，焊接工作量小，焊接變形較易控制，節(jié)約了修復(fù)時(shí)間。

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(duì)接環(huán)焊縫，坡口深度約180mm，焊接過程中容易產(chǎn)生角變形，這將影響高壓主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出汽接管與電廠管道的安裝精度，所以在修復(fù)過程中應(yīng)嚴(yán)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(cuò)位不超過±1mm，兩側(cè)坡口間隙為2mm，在不妨礙裝焊的原則下適當(dāng)加裝固定拉筋，以防止焊接過程中產(chǎn)生變形和位移。
（2）焊接參數(shù)的選取。為減小熱量輸入合理控制焊接變形，焊接時(shí)盡量采用小線能量的焊接參數(shù)。
（3）焊接順序的確定及焊接變形的監(jiān)測。為避免操作工對(duì)稱焊接時(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(duì)稱施焊順序，實(shí)行多層多道焊接，施焊中注意焊道間的交錯(cuò)和結(jié)合，避免出現(xiàn)“死角”，并保持焊道平整，焊道布置示意如圖3所示。焊接過程中厚度方向每焊30mm須檢測接管與閥殼中心以及接管與接管中心相對(duì)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(yīng)加熱，內(nèi)部采用柔性陶瓷電阻加熱片進(jìn)行補(bǔ)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(xiǎn)，避免因重復(fù)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)行無損檢驗(yàn)，合格后方可繼續(xù)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(duì)溫度敏感，為防止接頭產(chǎn)生缺陷，焊接后應(yīng)及時(shí)對(duì)接頭進(jìn)行熱處理。為了驗(yàn)證修復(fù)后接頭的微觀組織，在焊接產(chǎn)品的同時(shí)，采用相同的工藝焊接試驗(yàn)塊，并與產(chǎn)品同時(shí)進(jìn)行熱處理。本次修復(fù)焊縫外部采用中頻感應(yīng)加熱器，內(nèi)部采用柔性陶瓷電阻加熱片補(bǔ)熱，溫度采用沿焊縫周向?qū)ΨQ布置的四只熱電偶進(jìn)行監(jiān)控。升溫速度不超過80℃/h，降溫速度不超過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(yàn)塊熱處理后的焊縫接頭微觀組織如圖4所示。由圖4可知，焊縫、熱影響區(qū)和熔合區(qū)均為回火馬氏體組織，具有良好的沖擊韌性和高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能。

圖4 試驗(yàn)塊焊縫微觀組織
4.接管更換后的產(chǎn)品檢驗(yàn)
通過對(duì)焊縫布氏硬度（見圖5）進(jìn)行檢驗(yàn)可知，接頭硬度處于180～230HB，最大值位于焊縫中心區(qū)域。由此可知，經(jīng)過熱處理后的焊縫獲得了與母材相近的硬度值。
經(jīng)無損探傷檢驗(yàn)，接管焊縫質(zhì)量達(dá)到射線探傷標(biāo)準(zhǔn)和超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級(jí)檢驗(yàn)要求。閥殼形位公差檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，各主要形位面的變形量均在設(shè)計(jì)要求的0.10mm范圍之內(nèi)，滿足裝配要求。

表2 閥門各主要形位面變形量 mm
圖5 焊接接頭顯微硬度分布
5.結(jié)論
（1）百萬機(jī)組高壓主汽調(diào)節(jié)閥接管更換技術(shù)難度大，通過對(duì)ZG1Cr10Mo1NiWVNbN和P92材質(zhì)對(duì)接環(huán)焊縫檢驗(yàn)可知，本次修復(fù)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(shè)計(jì)，采用分散焊接順序，并適當(dāng)加裝固定拉筋，有效防止了修復(fù)過程產(chǎn)生焊接變形和位移，焊接順序合理。

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