P92钢管道安装焊接接头的窄间隙全位置自动焊_章雅林.pdf

2023年 第4期 热加工21焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n gP92钢管道安装焊接接头的窄间隙全位置自动焊章雅林1，李再金1，高超1，余新海1，杨文佳2，徐忠峰3，伍健4，尚庆望41.中能建建筑集团有限公司 安徽合肥 2300882.中国能源建设集团江苏电力装备有限公司 江苏常州 2130003.苏州热工研究院有限公司 江苏苏州 2150044.江西赣能股份有限公司 江西南昌 330096摘要：通过严格控制焊前、焊中、焊后温度、升降温度速率及焊接参数等，采用窄间隙全位置自动氩弧焊技术，完成了国内某火力发电厂超超临界百万千瓦机组P92钢主蒸汽管道现场焊接应用。各类无损检测结果表明：焊接接头级合格，无任何缺陷，满足规范要求；表明了焊接设备可靠、焊接参数合理可行。该技术工艺稳定、焊接质量高，推动了火力发电厂大口径厚壁管现场焊接技术创新，具有较大的发展前景和推广价值。关键词：P92钢；主蒸汽管道；窄间隙；焊接；现场应用1 序言目前，国内超超临界火电机组P92钢主蒸汽管道现场焊接主要以手工氩弧焊打底、焊条电弧焊填充和盖面的方式为主1，2，存在生产效率低，严重依赖焊工的操作技能，难以保证焊缝质量，容易出现夹渣、裂纹等焊接缺陷的问题3-6。随着自动焊技术的发展，窄间隙自动氩弧焊技术因其较高的焊接稳定性和优良的焊接质量，已被广泛应用于大厚壁管道车间预制及核电厂主管道现场安装的自动化焊接中7，8。窄间隙自动氩弧焊是一种先进的焊接方法，可通过精准控制焊接参数来实现优质的焊接成形，显著降低焊接缺陷的产生。同时，窄间隙坡口使用的填充材料少，不仅节省焊接材料、提高焊接效率，而且大大缩小了焊接热影响区宽度，产生的焊接残余应力和变形小，显著提高了焊接接头的综合力学性能。本文采用窄间隙全位置自动氩弧焊技术，在国内某超超临界百万千瓦火电机组P92钢主蒸汽管道厚壁管进行现场焊接，通过应用复型金相检测、硬度检测，以及磁粉检测、超声波检测等无损检测技术对焊缝进行检测，验证了窄间隙焊接技术在火力发电厂现场施工过程中的可行性，为推动窄间隙自动焊技术在火力发电厂超超临界机组厚壁管安装施工过程中的应用提供了经验。2 焊接材料与方法现 场 接 头 为 锅 炉 房 炉 前 高 温 过 热 器集 箱 出 口 接 主 蒸 汽 管 道 的 位 置，管 道 规 格OD457mm105mm，材质A335 P92钢（以下简称P92钢），锅炉左右侧各有一个焊接接头。管道坡口为U形，如图1所示。采用环形坡口机进行加工，5G位置，对接接头。填充材料为ER90S-B9焊丝，直径为1.0mm，保护气体采用纯度为99.999%的高纯氩气。母材及焊丝化学成分见表1、表2。表1P92钢的化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSCrNiMo0.10.250.450.015 0.0059.090.250.48VWNbBAlTiZr0.201.800.0500.0045 0.005 0.005 0.005表2ER90S-B9焊丝的化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSCr0.0940.230.550.0080.0048.84NiMoVWNbB0.50.410.550.0040.0940.0082023年 第4期 热加工22焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g在组对过程中，为了保证焊接质量，焊口根部错边控制在0.5mm内，对口间隙为00.5mm。组对完成后，管道应固定牢固，防止管道在径向和轴向上移动。定位焊采用手工钨极氩弧焊，焊接材料、焊接工艺、焊工和预热温度等应与正式施焊相同。自动焊装备采用苏州热工研究院有限公司研发的Model D-NG型全位置窄间隙冷/热丝TIG自动焊机，包括焊接执行机构、直流逆变式氩弧焊机、主控器、远程操作手柄、熔池观察系统、数据采集系统等（见图2），焊接过程中焊丝需加热。采用四点法检查焊接轨道安装情况，在管道上下、左右4个位置测量轨道与坡口之间的距离，保证各点间的误差为12mm，测量轨道与管道表面之间的距离，保证各位置的误差为23mm。3 焊接参数及焊道布置根据焊接工艺评定报告，编制焊接施工方案和工艺卡，指导现场的焊接工作，确保一次性形成合格的优质焊缝，采用的焊接参数见表3。为了防止焊缝根部氧化，打底及填充至第3层焊道时，应在管子内充氩气保护，充氩保护范围以焊接坡口为中心，每侧各100300mm，用可溶纸或图1坡口形式图3焊道布置图2焊接执行及行走机构表3P92钢窄间隙自动氩弧焊焊接参数焊道编号焊道类型焊接电流/A行走速度/（mm/min）送丝速度/（cm/min）电弧电压/V脉冲频率/Hz占空比（%）I峰值I基值1熔透焊道170190105115708073778.79.32.5252支撑焊道190210115145758576849.09.61.6753填充焊道240260120160758576849.09.61.6754找平焊道190230110150758560809.19.51.6755盖面焊道200240110150758560809.19.51.675包装纸板，以浆糊粘牢，做成密封气室，氩气流量为1020L/min。P92钢管道窄间隙全位置自动焊采用多层单道的焊道布置，分为4层，如图3所示。1）根部焊道。共分4层，包括1道熔透焊道和3道支撑焊道。总焊接厚度H158mm。2）填充焊道。总焊接厚度H2，通过总厚度T减去H1、H3、H4来控制。3）找平焊道。从剩余焊缝厚度78mm开始。4）盖面焊道。1条或多条线状焊道，总焊接厚2023年 第4期 热加工23焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g度H40.53mm。焊缝余高控制在02mm。4 焊接过程控制4.1 焊前预热与焊后热处理焊前预热、层间温度的控制和焊后热处理采用履带加热方式进行，温度控制按照DL/T 8192019火力发电厂焊接热处理技术规程的规定，热处理工艺曲线如图4所示。预热达到150180后恒温一段时间，确保内外壁温差符合规范要求；层间温度应控制在200250，全过程跟踪，使用红外测温仪适时确认。焊后热处理应在焊接完成后，焊件温度降至80100，保温12h进行消氢处理。焊后热处理的升降温速度控制在60/h，热处理温度在750770恒温10h。5 焊缝检测5.1 无损检测焊接接头热处理结束后，按照DL/T 9912006电力设备金属光谱分析技术导则进行光谱分析，按照NB/T 47013.42015承压设备无损检测 第4部分 磁粉检验进行磁粉检测，按照NB/T 47013.152021承压设备无损检测 第15部分 相控阵超声检测进行超声波检测，结果全部合格，最终评定为级合格。5.2 显微组织按照DL/T 8842019 火电厂金相检验与评定技术导则电力标准对焊接接头表面的焊缝组织、熔合区、热影响区以及母材进行表面复型，放大400倍，根据DL/T 20542019电力建设焊接接头金相检验与评定技术导则对金相结果进行评价，焊缝各区域组织为回火马氏体，未发现缺陷和异常淬硬组织。焊接接头显微金相组织如图6、图7所示。5.3 硬度对焊接接头表面进行硬度检测，焊缝硬度为235260HBW，母材硬度为195205HBW，结果表明焊缝硬度值符合DL/T 4382016火力发电厂金属技图4预热与热处理工艺曲线 a）焊接过程b）焊缝成形图5焊接过程及焊缝成形4.2 焊接过程打底焊接前，执行机构在不起弧的状态下沿焊缝中心行走一圈，确保焊枪处于坡口中心位置。打底焊时，在施焊的对称位置进行观察，及时调整焊接过程中焊接电流的大小，确保根部熔合良好。打底焊接采用插入式扁嘴保护气罩，确保根部保护良好，在焊缝厚度达到20mm后结合保护效果可更换为圆形玻璃保护气罩。在焊接过程中，通过远程监控系统，观察熔池的状态并进行微调，保证焊缝成形及侧壁熔合良好。为防止出现侧壁未熔合现象，需要在焊接每层道时，钨极适当偏向相应侧壁。若出现深度在1mm以内的侧壁未熔合或缩孔缺陷时，通过重熔方式处理；若发现深度1mm的缺陷时，用磨光机将缺陷打磨干净后，重新填丝焊接处理。每层每道焊缝接头应错开，每层焊接完成后及时观察焊道情况，使用钢丝刷进行层间清理，去除焊缝表面氧化皮等杂物，防止进入下道焊缝造成缺陷。焊接过程及焊缝成形如图5所示。2023年 第4期 热加工24焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g术监督规程的相关规定。6 结束语根据国内某超超临界百万千瓦火电机组P92钢窄间隙自动氩弧焊现场应用状况和检测结果，可以得出以下结论。1）现场P92钢窄间隙全位置自动氩弧焊缝未发现未焊透、未熔合、裂纹及气孔等焊接缺陷；根据无损检测结果，焊接接头评定为级合格。表面焊缝各区域组织为回火马氏体，未发现显微裂纹和淬硬的马氏体组织。2）选用电阻加热式热丝钨极氩弧焊接电源，配合窄间隙坡口设计，管道内外均采用99.999%高纯 a）母材 b）焊缝 c）熔合区 d）热影响区图7SGBC9接头显微金相组织氩气保护，并严格控制焊前、焊中和焊后温度以及升降温度速率，验证了焊接设备可靠、焊接参数合理可行，满足规范要求。3）火电超超临界百万千瓦火电机组主蒸汽管道大口径厚壁管P92钢窄间隙全自动焊接成功实施，属于国内火电站建设的首次示范应用。不仅填补了国内空白，全面提升了焊接质量和焊接效率，而且具有较高的推广价值。参考文献：1 杨建平，郭军，乔亚霞超超临界机组用P92钢焊接技术的研究J中国电机工程学报,2007，27（23）：55-60.2 姜保米，吴志祥，庞凯杰1000MW机组过热蒸汽管道P92钢焊接工艺J焊接技术，2020，49（S1）：67-70.3 苏德瑞，马延会，刘建屏，等P92主蒸汽管对接焊缝裂纹和夹渣产生原因的探讨J华北电力技术，2016（11）：63-66.4 靳彤，王强，安洪亮，等高温再热蒸汽管道P92钢焊接缺陷分析J金属加工（热加工），2020（4）：55-58.5 洪鼎华，王环丽，李武平，等在役P92钢蒸汽管道焊接接头中缺陷的研究J机械工程学报，2017，53（18）：113-120.6 张禹，师学礼，王强，等某电厂P92钢主蒸汽管焊缝缺陷分析及焊接修复J焊接技术，2019（9）：156-158.7 林金平，吴崇志窄间隙焊技术在核电建设中的应用J电焊机，2011，41（9）：16-20.8 王海东，任伟，裴月梅，等压水堆核电站主回路管道窄间隙自动焊工艺研究J电焊机，2010，40（8）：21-27.20221209a）母材 b）焊缝 c）熔合区 d）热影响区 图6SGBC1接头显微金相组织