超临界蛇形管高压加热器换热管与集管障碍焊接.pdf

焊接现场机械制造文摘焊接分册超临界蛇形管高压加热器换热管与集管障碍焊接李航，刘深铭（四川华都核设备制造有限公司，四川成都6 118 30）摘要：蛇形管高压加热器换热管与集箱管障碍焊接接头质量必须要满足10 0%的射线检测和渗透检测。满足探伤需求合格率是蛇形管高压加热器质量的关键，因设计结构，换热参数优胜于传统的U形管与管板。蛇型管高压加热器因自身结构管排之间空间受限,存在障碍和施焊盲区,在保证质量的前提下施焊难度大,返修难度更大。因结构形式导致换热管与集箱管的装焊顺序单一固定，焊接周期长。如果出现返修，对整个高压加热器的制造周期有严重影响。针对这种情况，进行模拟焊接，制定焊接训练计划，阶段性培训提升技能，选用手工钨极氩弧焊特制小型焊枪进行对称焊，送丝方式为内送丝。探索合理的焊接方法并进行训练，保证一次合格率，为整备产品制造周期打下良好的基础。关键词：蛇形管高压加热器；障碍焊；手工钨极氩弧焊；焊接操作要领中图分类号：TG442Barrier welding between heat exchange tube and header pipe of supercriticalserpentine tube high-pressure heaterLi Hang,Liu Shenming(Sichuan Huadu Nuclear Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Chengdu 611830,Sichuan,China)Abstract:The quality of barrier welded joints between heat exchange pipe and header pipe of serpentine tubehigh-pressure heater must meet 100%radiographic testing and penetration testing.Pass rate is the key to thequality of serpentine tube high-pressure heater,whose heat transfer parameters are superior to traditional U-shaped tube and tube plate due to design structure.Because of limited space between pipe rows of its structure,serpentine tube high-pressure heater has obstacles and welding blind spots,so it is difficult to weld and moredifficult to repair under the premise of ensuring quality.Due to structural form,welding sequence between heatexchange tube and header pipe is fixed and welding cycle is long.If repair occurs,it will have a serious impacton the entire manufacturing cycle of high-pressure heater.In view of this situation,simulated welding was car-ried out,welding training plans were developed,and skills were improved through phased training.A specialsmall welding gun for manual gas tungsten arc welding(GTAW)was selected for symmetrical welding,and wirefeeding method was internal wire feeding.Reasonable welding methods were explored and training was conduc-ted to ensure first pass rate and lay a good foundation for manufacturing cycle of the reassembly products.Key words:supercritical serpentine tube high-pressure heater;barrier welding;manual GTAW;welding operationessential 0前言大型火电机组的高压加热器采用的结构型式随着442023年第3期火电机组设计参数提高，传统的U形管结构已经受限，并且不适应机组调峰。欧美国家的火电超临界机组已装备应用蛇型管式高压加热器机械制造文摘蛇形管高压加热器与传统U形管式高压加热器相比可以更好地适应负荷的频繁变动，抗热冲击性强，且管损率低、使用寿命长、运行维护简便，在高参数机组的应用领域有着显著的技术优势。但其制造过程与传统U形管有所不同，制造过程工序还需技术攻关，集箱管与换热管焊接就是首要问题2】。其制造工艺研制成功与否将决定设备可靠性，成为提高企业竞争力的关键。加热器集箱管与换热管焊接过程中，焊接位置及视线受空间限制，机器自动焊接受限，只能使用常规手工钨极氩弧焊（Gas tungsten arc welding，G T A W）,并且因为空间限制原因，常规标准的焊枪不能满足施焊要求，需要特制一种能满足此空间位置的小型焊枪进行焊接。整体换热管与集箱管的焊缝呈品字形排列，焊装顺序只能逐层安装，施焊过程有盲区，焊接过程及其返修困难度很高，不容有焊接缺陷产生，一台蛇形管高压加热器共有36 0 0 多条焊缝都需经过全射线检测（RT)CS0.12 0.200.5 0.7表2 15Mo3力学性能抗拉强度屈服强度断后伸长率冲击吸收能量R./MPaRen/MPa450 650275CMn0.170.8 1.2表415NiCuMoNb力学性能抗拉强度屈服强度断后伸长率冲击吸收能量Rm/MPaReH/MPa5807404302焊接难题分析结构自身空间限制，需特制小型钨极氩弧焊焊枪。每个焊缝焊接完成后均须进行10 0%射线检测+10 0%渗透检测，为满足焊缝返修需要，只能组装一排、焊一排、经检测合格后方可进行下一排管口的组装与焊接。焊接分册表115Mo3化学成分（质量分数，%）MnSi0.15 0.35A(%)Akv/J2234表315NiCuMoNb化学成分（质量分数，%）SiS0.25 0.500.02A(%)Akv/J18 20349焊接现场和渗透检测（PT），生产周期需要10 0%的合格率去保证,为此制定了一比一的模拟训练，从施焊补焊到返修以及返修补焊,明确了焊接参数返修工序，制定了提升焊接技能训练为生产周期提供了有力保障。1材料焊接性分析蛇形管高压加热器示意图如图1所示。换热管材基体为15Mo3，因其珠光体和铁素体组织容易引起热敏区脆化,化学元素中Mn,Mo增强了力学性能、抗氧化及热强性，也对其焊接性产生一定影响3。化学成分见表1,力学性能见表2。障碍焊焊缝集管工图1蛇形管高压加热器示意图PCr0.0350.03515NiCuMoNb属于调质型弥散强化钢,在碳锰钢基础上加人Ni,Cu,Mo,Nb元素。提高了高温强度及持久强度,强度高、焊接性好4,相对于传统材料（SA106B.20G等)可以使管道壁厚减少50%左右，有利于加工、安装和节省材料。化学成分见表3,力学性能见表4。PCr0.030.3蛇形管高压加热器共有18 0 0 多根换热管,36 0 0 多个障碍焊缝都是有焊接盲区和管排自身造成的障碍，施焊空间受限，如图2 所示，焊接过程容易产生缺陷。（a）蛇形管实物图（b）施焊空间受限图2 蛇形管焊接示意图2023 年第 3 期45蛇形管Mo0.30.15 0.35MoNi0.25 0.501.0 1.3N0.01CuNb0.5 0.80.02 0.04焊接现场3焊接工艺及要求3.1焊接方法为保证一次焊接质量合格，以纯度9 9.9 9%的氩气作为保护气体，焊接过程中焊缝背面也做气体保护。手工钨极氩弧焊电弧稳定能量集中可避免未熔透等问题。惰性气体防止氧化及气孔的产生，使被保护焊缝液态熔池成形过程得到充分的保护，背面外观成形优良。选用衰减时长可调节功能的焊机确保衰减时长，类别C标准值0.12实测值0.08(a）定制焊枪图3定制焊枪及定制焊枪与常规焊枪对比3.3坡口形式坡口形式选用V形对接，对口间隙2.5 3.0 mm，无钝边，坡口角度6 0，如图4所示。30X图4焊缝坡口3.4焊后检测焊缝焊接完成后需先进行目视检测，目视检查合格后进行10 0%射线检测和10 0%表面渗透检测。3.5焊前准备焊前准备如下：清理焊缝坡口范围2 0 mm左右至金属光泽后除尘;焊接区域设置防风筑屏障；检查焊接电流是否正确，装备间隙及正反面保护气体流量；调试焊枪正常起弧，气保护状态，确保焊接参数462023年第3期机械制造文摘设置衰减电流，这样可以避免瞬时收弧产生的缩孔，同时焊接过程中合理的使用衰减还可控制温度。3.2焊接材料及焊接设备参照强度偏低的15Mo3母材以高强度、高塑性进行焊材选择，选用的焊丝牌号ER70S-A1，直径2.0mm，主要元素含量见表5。由于焊接位置差，管间距小，管与管之间的间隙为21.3mm,排与排之间的间隙为2 9 mm,根据限位空间的尺寸采用特制焊枪，如图3所示。表5ER70S-A1焊丝化成分（质量分数，%）SiMn0.30 0.701.300.471.10（b）定制焊枪与常规焊枪对比2.53.0焊接分册SP0.020.020.010.01电流稳定；工艺要求预热温度15以上，所以焊前根据环境温度决定是否对焊缝进行预热；焊缝装配对口点焊。3.6焊接工艺参数采用钨极氩弧焊进行焊接，焊层为2 层，电流极性为DCEN,具体焊接工艺参数见表6。表6 焊接工艺参数焊接电弧焊层电流电压I/AU/V/(m min-l)180 10018 21290 12018 214焊接模拟训练管排自身造成的障碍与焊接盲区对技能要求很苛刻,施焊过程中产生缺陷导致返修进而影响生产周期。通过1:1模拟件逐步强化技能，提升技能，满足生产制造,尽可能的保证合格率，进而保证障碍焊和整备制造的生产周期。4.1基础训练施焊过程中常规的外送丝方式不能满足实际要求,只能采用内送丝并且需要左手右手施焊,因此，针对性的进行内送丝和左手右手送丝焊接练习。首先，在60mm5mm的2 0 钢管上,开深3mm、宽6 mm、两侧为30 的焊缝，练习左右手加焊丝的手法。其次，Cr0.01Mo0.40 0.650.568011090 120Ni0.200.01焊接速度Cu0.250.02保护气体流量Q/(L min )正面背面10 155 101015510Ti机械制造文摘过渡到坡口形式练习左手右手内送丝。4.2管板障碍训练初步障碍工装重复练习，管板障碍训练示意图如图5所示。12点焊初步训练33004.3模拟件训练在制作的1：1的焊接模拟件进行焊接训练，此焊缝空间位置与实际产品相同（图6），以10 0%合格率为目标，熟练的掌握下半部内加丝打底的凹凸度和下半部盖面层接头的手法。模拟件训练共制定2 个阶段的计划：第一阶段以连续焊接10 根障碍管为基础，须连续5次达到10 0%射线检测合格；第二阶段须连续焊接20根障碍管，直到一次性2 0 根障碍管全部10 0%射线检测合格。通过这个阶段的反复练习，提高焊工的操作熟练程度，从而保证产品焊接的合格率。图6 模拟件示意图4.4焊接操作手法实际工况，焊缝位置处左右下三面存在硬性障