熱電廠高壓加熱器的檢驗與缺陷處理

摘

要：高壓加熱器是火電廠汽輪機(jī)組中給水回?zé)嵯到y(tǒng)的重要設(shè)備，由于長期在高溫、高壓工況下運(yùn)行，裂紋、腐蝕減薄等危害性缺陷可能會引起設(shè)備泄漏和爆炸事故，特別是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，如管板和接管角焊縫容易因制造和使用的原因產(chǎn)生缺陷；通過定期檢驗來排查安全隱患，可有效保障設(shè)備安全運(yùn)行。對某氧化鋁廠熱電分廠的兩臺高壓加熱器進(jìn)行了定期檢驗，在進(jìn)行磁粉檢測時發(fā)現(xiàn)在人孔角焊縫處存在表面裂紋，進(jìn)一步對發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫進(jìn)行埋藏缺陷檢測，發(fā)現(xiàn)其存在整圈的未熔合。通過對四合環(huán)密封結(jié)構(gòu)人孔的受力分析、人孔材質(zhì)的化學(xué)成分分析、角焊縫結(jié)構(gòu)分析及焊接過程因素分析，了解到制造遺留了延遲裂紋和未熔合缺陷，產(chǎn)生缺陷的原因包括人孔角焊縫處存在應(yīng)力集中，人孔鍛件材質(zhì)淬硬傾向大，角焊縫成形不良等。在對缺陷進(jìn)行處理前，為保證返修質(zhì)量，從消除焊接殘余應(yīng)力的目的出發(fā)，針對性地對缺陷清除、焊前預(yù)熱、焊接過程控制、無損檢測、焊后熱處理以及耐壓試驗等過程給出了具體方案。關(guān)鍵詞：高壓加熱器；應(yīng)力集中；冷裂紋；缺陷處理0引言火力發(fā)電廠給水回?zé)嵯到y(tǒng)的作用是從汽輪機(jī)不同壓力的中間級處抽出部分蒸汽，送到給水加熱器中對鍋爐給水進(jìn)行加熱，是火電機(jī)組的主要系統(tǒng)組成。高壓加熱器是利用從汽輪機(jī)抽取的蒸汽加熱鍋爐給水的裝置，是給水回?zé)嵯到y(tǒng)的一個重要組成部分。高壓加熱器有兩個作用，一是通過抽汽加熱給水（回?zé)幔┨岣唠姀S熱效率；二是將給水加熱后，其進(jìn)入鍋爐可減小溫差引起的熱應(yīng)力。由于高壓加熱器長期處于高壓、高溫工況下，裂紋、腐蝕減薄等缺陷可能會引起泄漏、爆炸等事故，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡，特別是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，如水室封頭的接管和人孔角焊縫、水室與管板連接處焊縫，由于殘余應(yīng)力大，容易產(chǎn)生缺陷。因此，對高壓加熱器進(jìn)行定期檢驗，可以有效排查安全隱患，保障其高效穩(wěn)定運(yùn)行。本文將以某氧化鋁廠熱電分廠的高壓加熱器為例，介紹其檢驗情況，分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出缺陷處理方案，為同類設(shè)備的檢驗檢修提供一些參考和經(jīng)驗。1設(shè)備概況受某氧化鋁廠委托，對其熱電分廠汽輪機(jī)機(jī)組的兩臺高壓加熱器進(jìn)行檢驗。由于汽輪機(jī)機(jī)組維修調(diào)試的原因，兩臺高壓加熱器一直未正常運(yùn)行，本次檢驗為首次定期檢驗。高壓加熱器是U型管式換熱器，主要由管板、封頭、管系、殼體、人孔、管程接管與殼程接管組成，為立式結(jié)構(gòu)，設(shè)備基本參數(shù)如表1所示。2檢驗情況由于待檢高壓加熱器的管板與筒體、水室封頭的連接為焊接結(jié)構(gòu)，本次檢驗現(xiàn)場不具備抽芯條件。因此，制定的檢驗方案以外表面的檢驗項目為主，主要進(jìn)行了宏觀檢查、壁厚測定、磁粉檢測、超聲波檢測、安全附件檢查等項目的檢驗。2.1宏觀檢查拆除外表面的隔熱層，依次根據(jù)結(jié)構(gòu)和幾何尺寸、腐蝕、變形、開裂、支承、疏水和隔熱層下腐蝕等項目進(jìn)行檢查，在檢查過程中未見變形及腐蝕。2.2壁厚測定對水室封頭、汽側(cè)筒體、汽側(cè)封頭及接管等主要受壓元件分別進(jìn)行壁厚測定，結(jié)果表明無明顯減薄。2.3無損檢測2.3.1

磁粉檢測對外表面的對接焊縫、接管角焊縫進(jìn)行100%磁粉檢測，在1#高加和2#高加的人孔與上封頭的角焊縫上均發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋位于角焊縫靠近人孔筒體的熔合線處，缺陷已向母材延伸，如圖1和圖2所示。2.3.2

超聲波檢測在筒體外表面對交叉對接焊縫進(jìn)行超聲波檢測抽查，在檢測過程中，未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標(biāo)缺陷。對發(fā)現(xiàn)裂紋的人孔角焊縫進(jìn)行超聲波檢測，確定其是否存在埋藏缺陷。經(jīng)檢測，在內(nèi)部深度30～55mm的范圍內(nèi)存在整圈的條形缺陷。2.4安全附件檢查對安全閥、壓力表、溫度計、液位計進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，安全閥、壓力表均在有效期內(nèi)，鉛封完好，壓力表的量程和精度等級符合要求，溫度計和液位計符合要求。3檢驗結(jié)果分析3.1受力分析水室封頭上的人孔筒節(jié)是高壓加熱器的主要受壓元件。常見的人孔形式有四合環(huán)自密封人孔、內(nèi)置自密封人孔、大開口四合環(huán)密封人孔、法蘭強(qiáng)制焊接密封人孔等。本次檢驗的高壓加熱器人孔采用的是四合環(huán)自密封（又稱伍德密封），這也是目前使用得最多的人孔形式。在本案例中，人孔筒節(jié)材質(zhì)為20MnMoⅢ鋼鍛件，規(guī)格為φ620×φ420×320

mm，水室封頭材質(zhì)為16MnR鋼，規(guī)格為φ1100×90mm。為分析人孔應(yīng)力情況，根據(jù)《壓力容器第3部分：設(shè)計》（GB150.3—2011）計算人孔筒節(jié)端部當(dāng)量應(yīng)力[4]。經(jīng)計算得到，人孔筒體端部環(huán)向截面拉應(yīng)力為：筒體端部環(huán)向截面的彎曲應(yīng)力為：綜上可得，人孔筒節(jié)環(huán)向截面的當(dāng)量應(yīng)力為：σoa＝σa+σma=84.7MPa，即人孔附近承受較大的應(yīng)力。3.2化學(xué)成分分析根據(jù)出廠資料中的數(shù)據(jù)，人孔和水室封頭的材料化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2和表3所示。根據(jù)IIW（國際焊接學(xué)會）推薦的碳當(dāng)量公式（3）進(jìn)行計算，人孔材料20MnMoⅢ鋼的碳當(dāng)量約為0.5%，淬硬傾向大，其焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬性組織的概率會大大提高，焊接時產(chǎn)生冷裂紋的傾向大。在焊接過程中如工藝控制不當(dāng)，在焊后易產(chǎn)生淬硬脆化裂紋。3.3焊縫結(jié)構(gòu)分析設(shè)計圖紙中規(guī)定的人孔筒節(jié)角焊縫坡口形式如圖3所示。在檢驗中對該角焊縫進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)整圈角焊縫的焊縫熔寬小，焊縫寬度在10～16mm，說明其在制造時坡口加工寬度未達(dá)到設(shè)計要求，導(dǎo)致角焊縫的拘束度大，焊后殘余應(yīng)力大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。3.4焊接過程因素分析由于高加水室封頭壁厚較厚，焊縫焊接時采用多層焊，但是在每層焊接結(jié)束后，對表面藥皮清理不夠徹底，或者焊接時參數(shù)控制不當(dāng)、焊接過快等，可能會在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生未熔合等超標(biāo)缺陷，這些缺陷處就會產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生裂紋。設(shè)計圖紙技術(shù)要求規(guī)定，在對人孔筒節(jié)和水室封頭焊接時要進(jìn)行焊前預(yù)熱，并在焊接結(jié)束后進(jìn)行熱處理以消除殘余應(yīng)力?？赡苡捎跓崽幚頃r極個別區(qū)域存在熱偏差，設(shè)備在熱處理后局部存在應(yīng)力未完全消除的情況，隨著運(yùn)行后應(yīng)力逐步釋放從而在表面產(chǎn)生細(xì)小的延遲裂紋。綜上所述，人孔角焊縫處裂紋產(chǎn)生的原因可能是坡口未按技術(shù)要求加工，焊縫成形不良，焊接參數(shù)控制不當(dāng)，存在未熔合、夾渣、氣孔等焊接缺陷；熱處理后可能存在殘余應(yīng)力未消除情況，在焊接應(yīng)力、人孔角接接頭結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力的作用下，焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，微裂紋經(jīng)擴(kuò)展導(dǎo)致冷裂紋形成，從而在人孔角焊縫的焊趾處出現(xiàn)裂紋。4缺陷處理為了完全消除設(shè)備安全隱患，防止缺陷再次出現(xiàn)，需要結(jié)合上述角焊縫裂紋產(chǎn)生的機(jī)制分析制定好維修方案并嚴(yán)格執(zhí)行。4.1缺陷清除（1）確定裂紋及其他超標(biāo)缺陷深度、位置后，采用碳弧氣刨+砂輪機(jī)打磨的方式將焊縫的裂紋及其他超標(biāo)缺陷清除干凈。對于向母材擴(kuò)展的裂紋需要在裂紋端部打止裂孔，采用碳弧氣刨的方法清除缺陷。（2）為確認(rèn)裂紋或其他超標(biāo)缺陷是否被清除干凈，需進(jìn)行100%PT檢測。如還存在裂紋或其他超標(biāo)缺陷，則繼續(xù)打磨，直至PT檢測后返修區(qū)域顯示無裂紋或其他超標(biāo)缺陷為止。打磨出的U型槽寬深比大于等于1，坡口兩端應(yīng)處理呈緩坡狀，底部、兩側(cè)及兩端必須打磨平滑，避免坡口過深、過窄。4.2焊縫返修4.2.1

焊前預(yù)熱采用火焰加熱方式進(jìn)行焊前預(yù)熱，要求預(yù)熱溫度不得低于150

℃。預(yù)熱必須均勻，預(yù)熱寬度應(yīng)為焊縫中心兩側(cè)各取120mm。4.2.2

焊接過程控制返修前應(yīng)將坡口表面和兩側(cè)至少20mm范圍內(nèi)PT檢測遺留的滲透劑和顯像劑等清理干凈。嚴(yán)格控制焊接層間溫度，層間溫度的范圍為150～300

℃。返修過程中，每道焊接寬度不得大于4倍焊條焊芯的直徑。焊道與焊道、焊層與焊層之間的清理：道與道、層與層之間必須將焊渣、飛濺等清除干凈；同時，焊道之間、焊道與坡口表面之間形成的窄“V”形夾角也要打磨圓滑。返修過程中，焊接接頭必須修磨，防止應(yīng)力集中。每一焊層厚度不得大于3mm。4.2.3

焊接外觀質(zhì)量要求返修焊縫成形良好，焊縫余高小于3mm，必須圓滑過渡至原焊縫和母材，不允許存在咬邊、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣、飛濺等缺陷。4.3無損檢測要求返修時采用的無損檢測方法有[6]：超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）。采用滲透檢測確認(rèn)缺陷是否清除，符合《承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲透檢測》（NB/T47013.5—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格；焊縫返修完成應(yīng)進(jìn)行100%UT檢測和100%MT檢測，超聲波檢測技術(shù)級別為B級，符合《承壓設(shè)備無損檢測第3部分：超聲檢測》（NB/T47013.3—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格；磁粉檢測的時機(jī)為焊后熱處理24h后，符合《承壓設(shè)備無損檢測第4部分：磁粉檢測》（NB/T47013.4—2015）規(guī)定的Ⅰ級合格。4.4焊后熱處理當(dāng)焊縫返修深度大于1/3板厚時需要重新進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理工藝曲線如圖4所示。焊后熱處理要求：（1）熱電偶的布置要求：每處返修焊縫至少布置一根熱電偶。（2）焊后熱處理采用電加熱方式進(jìn)行，選用智能溫控箱進(jìn)行熱處理控制。（3）焊后熱處理前，加熱區(qū)以外至少100mm范圍應(yīng)予以保溫，避免產(chǎn)生較大的溫度梯度。4.5耐壓試驗當(dāng)返修深度大于1/2板厚時需要進(jìn)行耐壓試驗，檢驗核定的最高允許工作壓力為P，則耐壓試驗壓力為1.25P；試驗時，以水為介質(zhì)，壓力應(yīng)緩慢上升，當(dāng)壓力升至最高允許工作壓力時，對容器的所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查，確認(rèn)無滲漏后繼續(xù)升壓至試驗壓力，保壓30min進(jìn)行檢查；然后將壓力降至最高允許工作壓力，保壓1