1000MW二次再热机组锅炉水冷壁管排焊缝热处理施工工法(唐锦).doc

1000MW二次再热机组锅炉水冷壁管排焊缝热处理施工工法
中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程公司
刘晓华 唐锦 马爱军
1.前言
随着机组容量的不断提升，水冷壁出口温度也在逐渐提高，这必然要通过升级水冷壁管材质或增加水冷壁管壁厚方法的来解决这一问题。而常用于水冷壁管排的12Cr1MoVG制造工艺和焊接工艺都已非常成熟。因此，在不改变水冷壁管材质的情况下，必然要增加管材的壁厚。根据DL/T869-2012 “5.4.4 下列部件采用氩弧焊或低氢型焊条，焊前预热和焊后适当缓慢冷却的焊接接头可以不进行焊后热处理：b）壁厚不大于8mm或管径不大于108mm，材料为12Cr1MoV、12Cr2Mo的管子”的规定，以及水冷壁管排安装焊接采用氩弧焊的前提下，当12Cr1MoVG管的壁厚大于8mm时，我们必须要对水冷壁管排的焊缝进行热处理。
我公司承建的国电泰州电厂（2×1000MW超超临界）二期工程#3机组是我国自主设计、自主制造的首台超超临界二次再热火电机组，是国家燃煤发电示范项目，也是国家科技部确定的“十二五”节能减排国家科技支撑计划项目。该锅炉由上海锅炉厂制造，在水冷壁的结构方面跟国内常规的百万机组塔式炉相同，分为垂直段、螺旋段两部分。整个水冷壁管排材料选用的是12Cr1MoVG。相对于国内常规的超超临界一次再热百万机组，水冷壁的壁厚增加了，出现了大面积壁厚大于8mm的规格的管子，规格分别为Φ44.5×9和Φ38×8.5。根据规程要求，对超过8mm的管子的焊缝需进行焊后热处理。
由于膜式水冷壁管屏热应力的分布比较复杂，焊接过程中常造成管屏变形，再经过焊后热处理，很容易造成管屏的二次变形，甚至导致焊口出现断裂。因此我们通过履带式电加热器，采取合理的热处理工序，提高热处理效率，减小焊接变形且焊接接头的力学性能数据符合规范要求，对今后的水冷壁管排焊缝热处理工作具有借鉴和指导作用。
2.工法特点
2.1相对于常规的百万机组锅炉水冷壁安装焊接，本工程出现了大面积水冷壁管排焊后热处理的情况，在国内尚属首次。
2.2通过对水冷壁T型三通，水冷壁垂直段，水冷壁螺旋段的热处理，解决实际生产过程中影响热处理施工的一些问题，提高了热处理工作效率，保证了热处理后的焊接接头的力学性能，从而缩短了施工工期，节约大量的人力、物力。
3.适用范围
3.1适用于火电厂锅炉水冷壁管排不同空间位置的焊后热处理，在焊缝热处理合格、提高焊缝热处理的效率、降低成本上有很大优势。
3.2适用于其他锅炉受热面密集管排的热处理。在提高热处理质量，尤其在空间位置比较复杂的地方进行热处理具有很大优势。
4.工艺原理
履带式电加热器可视工件的几何形状，壁厚及热处理要求能制成多种形状，可以与工件接触加热，可以弯曲，折叠，燃烧，它适用于各种金属构件，如管道、大型容器的焊前预热，中间消氢和焊后的局产部热处理，具有加热速度快，热利用率高，节能显著，劳动强度低，使用安全可靠、操作方便的优良性能，是目前焊接界一种最新颖实用的理想局部热处理加热器。
我们根据水冷壁管排的形状以及空间位置选择与之相适应的电加热器，然后采用合理的绑扎方法和顺序使热处理后的焊缝达到预期效果。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
工艺规范的制定 → 热电偶的布置与绑扎 → 加热器的布置与绑扎 → 保温棉的铺设 → 热处理温度记录跟踪→质量检验（包括进行无损检验）→ 验收。
5.2操作要点
5.2.1 水冷壁T形三通热处理施工措施
1、工艺规范的制定
根据焊接工艺评定以及DL/T 819-2010的相关规定，编制焊接热处理工艺卡，详细描述热处理过程中从预热到焊后热处理的一系列参数。

图5.2.1-1 热处理工艺卡
2、热电偶的布置与绑扎
现场实际焊接的水冷壁左墙上部垂直围墙管屏接三通的焊缝，焊接项目代号为W2-33，该管屏在水冷壁组合架上组合。编号为2、5、7共3支热电偶为控温热电偶，1、3、4、6、8共5支热电偶为测温热电偶，8支热电偶均布置在管屏的上面。

图5.2.1-2 热电偶布置示意图
热电偶的绑扎是采用铁丝穿过安装对口时留下的应力槽进行扎紧。热电偶绑扎时要保证热端与焊缝紧密接触，并在后面的处理过程中不产生脱离、松动。现场热电偶的布置与绑扎见下图5.2.1-3：

图5.2.1-3 热电偶的布置与安绑扎
3、加热器的布置与绑扎
我们采用的履带式电加热器单片尺寸为180×1000mm，功率为10KW。加热器的示意图见图5.2.1-4。

图5.2.1-4 履带式电加热器
根据相邻管子的中心间距为120mm，考虑到加热器能最大面积地覆盖住焊缝，因此每片加热器加热8根管子，加热器采用上下两片对称布置。
由于现场铺设的水冷壁左墙上部垂直围墙管屏的T形三通凸出管距离工地焊缝42.75mm，而我们选用的履带式电加热器的宽度为180mm，因此管屏上侧履带式电加热器不能平均铺设在焊缝的两侧。对于管屏上部的加热器的铺设，我们采用一端靠紧T形三通凸出管边缘，管屏下侧的加热器则平均铺设在焊缝两侧（履带式电加热器的铺设见图5.2.1-5、图5.2.1-6）。

图5.2.1-5 加热器布置图（1） 图5.2.1-6加热器布置图（2）
上下两片的加热器的绑扎是通过事先在未开割槽的管屏上面钻孔，钻孔的位置距三通约100mm处，然后用铁丝通过应力槽与钻孔口进行捆绑。左右两片的加热器亦通过铁丝进行连接（应力槽与钻孔口的位置示意图见图5.2.1-7）。

图5.2.1-7 应力槽及钻孔口布置图
加热器绑扎时要注意绑扎用的铁丝不能跟电阻丝接触，并且保证陶瓷套管与管子最大面积的接触，现场加热器的布置与绑扎见图5.2.1-8、图5.2.1-9。

图5.2.1-8 上管屏加热器的布置与绑扎 图5.2.1-9 下管屏加热器的布置与绑扎
4、保温棉的铺设
由于三通之间有空隙的影响，若直接铺设保温棉，势必造成加热过程中热量的散失。因此在铺设保温棉之前，采用图5.2.1-10的方法将三通之间的空隙用保温棉塞住。塞完空隙后，采用图5.2.1-11的方法用保温棉对整个加热器进行铺盖，为了保证陶瓷套管与管子的接触充分，在铺完保温棉后，两侧均使用槽钢把保温棉压住，见图5.2.1-12。因为在热处理的过程中容易造成管屏的变形，因此在管屏的下面，采用千斤顶将管屏顶住，起到防变形和压紧陶瓷套管与管屏的作用。

图5.2.1-10 三通之间填塞保温棉图 图5.2.1-11 加盖保温棉及接线

图5.2.1-12 槽钢压住保温棉
5.2.2 水冷壁垂直段热处理施工措施
1、工艺规范的制定
热处理的工艺参数同5.2.1的第1款。
2、热电偶的布置与绑扎
现场实际焊接的水冷壁右水垂直段的焊缝，焊接项目代号为W2-47，该焊口为锅炉安装焊口，共7小屏，焊口数为179只。
根据管子之间的间距，每块加热器覆盖的管子数目在8~9根为宜。我们采取的是每一小屏管排做一炉处理，因此每一小屏需要6块履带式电加热器，向火侧跟背火侧各3块对称布置。只在背火侧待处理的每一小屏的左端数起，每隔4根布置1只热电偶，共计6只，每一块加热器上的2只热电偶分别作控温和测温。
热电偶绑扎时要注意热电偶的冷端要处于所在焊缝的正下方，用铁丝绑扎时要保证热电偶热端绑扎牢固。现场热电偶的布置与绑扎见下图5.2.2-1。

图5.2.2-1热电偶的布置与安绑扎
3、加热器的布置与绑扎
加热器的规格我们仍选择的是图5.2.1-4的履带式电加热器。加热器布置前要将6块加热器分两组，每组3块。将分好组的3块加热器通过两端的小孔用铁丝串联起来。加热器在安装时需要6个人配合完成，炉膛内外各3人。其中2人先将串联好的加热器拉平，让待处理焊缝处在加热器的中间，然后1人负责用铁丝将加热器吊住。吊挂好的加热器每根管子之间需用铁丝通过钻孔与应力槽进行绑扎，保证加热器与待处理焊缝最大面积的接触。现场加热器的布置与吊挂见图5.2.2-2。

图5.2.2-2加热器的布置与吊挂
4、保温棉的铺设
保温棉铺设也需6人配合，保温棉的长度根据每小屏管排的长度，事先切好。铺设时，要注意保证保温棉完全覆盖住加热器，尤其是加热器的两端。绑扎时也是用铁丝通过钻孔与应力槽每隔两根管子进行绑扎固定。现场保温棉的铺设见图5.2.2-3。

图5.2.2-3 保温棉的铺设与绑扎
5.2.3 水冷壁螺旋段热处理施工措施
1、工艺规范的制定
热处理的工艺参数同5.2.1的第1款。
2、热电偶的布置与绑扎
由于水冷壁螺旋段的管子规格相对较小并且密集，焊缝整体方向垂直向下，因此每一炉处理处理36只焊口左右，布置4只热电偶，从待处理的焊缝上端开始布置，每隔9根布置1只。每一块加热器上的2只热电偶分别作控温和测温。
热电偶绑扎时要注意热电偶的冷端要处在沿管子中心线方向，用铁丝绑扎时要保证热电偶热端与焊缝紧密接触，绑扎牢固，不能摆动。现场热电偶的布置与绑扎见下图5.2.3-1。

图5.2.3-1热电偶的布置与安绑扎
3、加热器的布置与绑扎
由于水冷壁螺旋段的管子呈一定的斜度并且管子间距较小，采用常规的履带式电加热器热处理时，加热器与焊缝的接触面积相对变小。因此我们选择我公司发明的绳板状履带式陶瓷电加热件。绳板状履带式陶瓷加热件在管排上的横向排布示意图如下所示：
图5.2.3-2为绳板状履带式陶瓷加热件示意图。其中有：A1-加热元件；A2-加热元件；A3-加热元件；A4-发热电阻丝。
图5.2.3-3为绳板状履带式陶瓷加热件在管排上的横向排布示意图。其中有：B1-绳板状履带式加热块；B2- 管排；B3-鳍片；B4-热电偶。

图5.2.3-2：绳板状履带式陶瓷加热件

图5.2.3-3：绳板状带式陶瓷加热件在管排上的横向排布

加热器的规格为180×1000mm，功率为10KW。。加热器布置前要将4块加热器分两组，每组2块。将分好组的2块加热器通过两端的小孔用铁丝串联起来。加热器在安装时需要4个人配合完成，炉膛内外各2人。其中1人先将串联好的加热器上端固定住，让待处理焊缝处在加热器的中间并且使加热器垂直向下，然后1人负责用铁丝将加热器就位住。吊挂好的加热器每根管子之间需用铁丝通过钻孔与应力槽进行绑扎，保证加热器与待处理焊缝最大面积的接触。现场加热器的布置与吊挂见图5.2.3-4。

图5.2.3-4加热器的布置与吊挂
4、保温棉的铺设
保温棉铺设也需4人配合，保温棉的长度根据每小屏管排的长度，事先切好。铺设时，要注意保证保温棉完全覆盖住加热器，尤其是加热器的两端。绑扎时也是用铁丝通过管子之间的间隙与应力槽每隔4根管子进行绑扎固定。现场保温棉的铺设见图5.2.4-5。

图5.2.3-4 保温棉的铺设与绑扎

5.3劳动力组织（见表5.3）
表5.3劳动力组织
序号
工种
所需人数
1
焊接专工
1
2
焊接技术员
1
3
焊接质检员
1
4
安全员
1
5
热处理班组长
1
6
热处理工
6

6.材料与设备
6.1 本工法无需特别说明的材料，采用的材料设备见表6。
表6 机具设备表
序号
设备名称
设备型号
单位
数量
用途
1
电脑温控柜
DWK-I-240KW
台
3
温度记录跟踪
2
热电偶
K型
只
8
控温
3
履带式加热器
180×1000mm，10KW
块
6
加热
4
绳板状履带式加热器
180×1000mm，10KW
块
6
加热
5
保温棉

立方米
30
保温

7.质量控制
7.1 工程质量控制标准
7.1.1焊接热处理要按照《DL/T 819-2010火力发电厂焊接热处理技术规程》的要求进行操作。
7.1.2按照《DL/T 869-2012火力发电厂焊接技术规程》要求，对热处理好的焊缝进行硬度检测。我们采用里氏硬度计，按照GB/T 17394的的规定检测硬度。换算的焊缝布氏硬度值不得超出原始母材硬度值的40%或者低于原始母材硬度值的90%。
7.1.3焊缝硬度检查合格的焊接接头，可判定为焊后热处理合格。
7.2 质量保证措施
7.2.1热处理操作人员必须做到持证上岗，热处理前进行安全技术交底，热处理操作过程中必须严格按照热处理工艺卡上的要求进行操作。
7.2.2焊接热处理仪器设备应满足工艺要求，安全、可靠。热处理所使用的测控温仪表、热电偶等计量器具必须经过校验，并在有效期内使用。维修后的计量器具，必须重新校验。
7.2.3所有用于吊挂水冷壁管屏的链条葫芦在热处理完毕前禁止松动，拆卸。
7.2.4焊接热处理技术人员或焊接工程师应在热处理工自检合格的基础上，对同类焊件进行不少于20%的抽查。检查相关记录、察看经焊后热处理的焊件外观，进行质量评价。
7.2.5焊后热处理温度或时间不够而导致焊缝硬度值高于规定值得焊接接头应重新进行焊后热处理。
8.安全措施
8.0.1进行热处理的工作人员须正确使用劳动防护用品，口罩、工作服、皮手套等符合专用防护要求。
8.0.2正确使用“安全三宝”，登高作业系好安全带，脚手搭设应符合安规要求。
8.0.3 登高作业人员须符合体检要求。
8.0.4热处理施工作业地点的临空面、孔洞应有可靠的安全防护措施
8.0.5应尽量避免交叉作业。如有交叉作业时，要注意自己上、下方的施工情况，意作业点周围的安全状态，发现安全隐患时，必须及时采取有效防护措施。
8.0.6 不宜在雨、雪、雾及大风天气进行热处理作业，如确需要，应采取遮蔽措施。现场道路及脚手架、跳板、走道应及时清除积水，并采取防滑措施。
8.0.7 所有施工人员进入现场应严格遵守《电力建设安全工作规程》。
8.0.8 雨季施工须采取防漏电、触电措施。
8.0.9 受限空间作业应符合受限空间作业管理的相关规定。
9.环保措施
9.0.1在热处理工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度。将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。
9.0.2坚持文明施工，做到“工完料尽场地清”。
9.0.3认真执行工程公司的管理方针，做好环境保护措施。保温棉、铁丝头应及时清理。
10.效益分析
10.0.1本工法针对国内首台超超临界二次再热燃煤机组锅炉水冷壁管排需要大面积进行焊后热处理作了详细的描述，为今后国家推进百万二次再热机组水冷壁管排热处理具有借鉴和指导作用。
10.0.2通过本工法的施工措施，热处理后的焊接接头的力学性能指标能够满足机组长期运行的要求，大大降低了水冷壁管在机组运行中发生爆管的几率。
11.应用实例
国电泰州电厂二期工程#3机组建设中，水冷壁T形三通716只焊口，水冷壁垂直段2148只焊口，水冷壁螺旋段5268只焊口，采用本工法热处理后的焊接接头经硬度检查合格。热处理外观良好，质量优异，确保了工程后续工作的正常开展，优良的热处理质量获得业主及监理单位一致好评。