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關于高壓主汽調節閥的接管焊接修復技術
發布于：2019/7/25 10:29:33 點擊量：145
0 前言
某電廠1000MW機組高壓主汽調節閥在進行材質復驗時發現，進、出汽接管材質與設計要求材質不符，既影響電廠的安裝周期，又使主汽調節閥在運行過程中存在安全隱患。為了將影響程度降至最低，必須在最短的時間內完成接管的更換。由于1000MW高壓主汽調節閥結構和材質均比較特殊，是已發往電廠的成品，要在短時間內實現接管更換修復將面臨多方面的技術難題。
1 結構簡介
1000MW高壓主汽調節閥由四個主汽閥和四個調節閥組成，每個閥門連接一個接管，閥門本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，進、出汽接管材料均為P92鍛件。組焊工藝流程復雜、周期長，整套閥門組焊完耗時至少需三個月，整套閥門組裝后質量約80t。高壓主汽調節閥實物結構如圖1所示。
圖1 高壓主汽調節閥實物結構
2 技術難題分析
2.1 焊接性分析
閥門本體材料為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，屬于超低碳復相馬氏體鋼，焊接時淬硬性大，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，易產生粗大馬氏體，焊縫熱影響區硬脆化；冷卻速度較慢時，易產生粗大鐵素體，焊縫熱影響區塑韌性顯著下降。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，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實現橫焊位，只能采用全位置焊接。由于同時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，如果四個管口同時焊接，操作時會產生干涉，另外，由于閥門空間狹小且加速器體積較大，射線探傷也會發生干涉。
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，很容易產生焊接變形。如果閥門變形，將直接導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溫差較大，熱處理過程控制較難。
3 技術難題解決
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，焊接參數見表1，氬氣流量8～15L/min，直流正接，焊接速度20～35mm/min，每道擺動寬度小于等于10mm，每層堆焊厚度小于等于4mm，每焊完一層要及時進行清理。預熱溫度達到后開始焊接，層間溫度控制在300℃～350℃，焊接過程中不允許有任何缺陷。
表1 焊接參數表
3.2 接管焊接坡口優化
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，節約了修復時間。
a優化前
b優化后
圖2 主汽閥裝焊坡口優化
3.3 焊接變形控制
接管與閥殼為對接環焊縫，坡口深度約180mm，焊接過程中容易產生角變形，這將影響高壓主汽調節閥進、出汽接管與電廠管道的安裝精度，所以在修復過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行控制：
（1）裝配要求。坡口根部徑向及軸向錯位不超過±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，以防止焊接過程中產生變形和位移。
（2）焊接參數的選取。為減小熱量輸入合理控制焊接變形，焊接時盡量采用小線能量的焊接參數。
（3）焊接順序的確定及焊接變形的監測。為避免操作工對稱焊接時受操作空間的限制，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。采用兩人對稱施焊順序，實行多層多道焊接，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行補熱，使工件焊接部位的溫度維持在200℃～250℃。
（5）探傷時間的確定。為降低返修焊接缺陷的風險，避免因重復返修焊縫而造成的焊接變形，在焊接至80mm深時停止焊接并進行無損檢驗，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，為防止接頭產生缺陷，焊接后應及時對接頭進行熱處理。為了驗證修復后接頭的微觀組織，在焊接產品的同時，采用相同的工藝焊接試驗塊，并與產品同時進行熱處理。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布置的四只熱電偶進行監控。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
圖4 試驗塊焊縫微觀組織
4 接管更換后的產品檢驗
通過對焊縫布氏硬度（見圖5）進行檢驗可知，接頭硬度處于180～230HB，最大值位于焊縫中心區域。由此可知，經過熱處理后的焊縫獲得了與母材相近的硬度值。
經無損探傷檢驗，接管焊縫質量達到射線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 結論
（1）百萬機組高壓主汽調節閥接管更換技術難度大，通過對ZG1Cr10Mo1NiWVNbN和P92材質對接環焊縫檢驗可知，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）將原有焊接坡口進行優化設計，采用分散焊接順序，并適當加裝固定拉筋，有效防止了修復過程產生焊接變形和位移，焊接順序合理。
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