USC塔式炉受热面布置及镜面焊技术的应用.docx

USC塔式炉受热面布置及镜面焊技术的应用

　　摘要：本文详细介绍了USC塔式炉受热面管道的特殊布置及镜面焊焊口的焊接概况、全氩弧焊焊缝的结构、机具准备并通过对镜面焊的整个焊接过程的描述，详细阐述了焊缝对口尺寸控制、内加丝焊接方法、焊缝中间层填充和盖面的技术工艺，针对焊接过程中碰到的问题进行了研究、分析并提出了改进、解决的方法。
Abstract: This article gives a detailed account of particular piping layout of USC tower type boiler heating surface and the welding summary of mirror surface welding crater; the weld structure of fulll argon arc welding and implement　on the presentation of the whole welding process of mirror surface welding, it illustrates in detail the control on butt weld size, the fill wire inside welding method, as well as weld interlayer filling and screen technique, meanwhile it makes a study and analysis for the problems arising from the welding process , additionally the improvement program and solution are put forward.
关键词：受热面布置 镜面焊接、机具要求、应用技术。
Key word: Heating Surface Layout ,Mirror Surface Welding, Implement Requirement, Application Technology
锅炉布置、焊接特点
燃煤超超临界1000MW发电锅炉由上海锅炉厂生产,其结构主要特点是:单炉膛、一次再热、采用切圆燃烧方式、露天布置、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构炉高的塔式锅炉。
受热面管道布置
锅炉受热面主要布置在主钢架的立柱内，炉膛四周为水冷壁，水冷壁在69m以下的炉膛和灰斗采用膜式螺旋管圈设计，在69m以上采用膜式垂直管设计，两者采用中间集箱连接，集箱外置分别布置在炉前侧和炉后侧，穿过前、后水冷壁的单根管通过焊口的焊接，把受热面蛇形管排与集箱连接为一个整体，提高了热效率，三级过热器出口蒸汽温度为605℃，压力。
在120m以上采用非流体管包覆炉膛顶部，再通过吊杆悬吊整个水冷壁系统。集箱外置，炉膛内部组件为省煤器、过热器、再热器蛇行管排，全部采用卧式布置，均通过一次过热器的悬吊管悬吊；蛇行管排均前后排列，通过穿墙短管与炉膛外集箱连接。再热器的集箱均布置在炉后侧；过热器、省煤器集箱均布置在炉前侧。锅炉所有的集箱均不承重，和水冷壁及炉膛内组件整体同步膨胀。整个炉膛截面为23160mm×23160mm，高度约65270mm。
炉膛内组件从上至下，一次布置一级过热器进口段、省煤器、一级再热器、二级过热器、二级再热器、三级过热器和一级过热器进口段。由于锅炉的结构和设计原因造成部分组件的管排数量增加，而又造成管排间的节距很小一级过热器进口段布置在炉膛内最上方，共89片管排组成。省煤器布置在炉膛内一级过热器进口段下方，共178片管排组成。一级再热器布置在炉膛内省煤器下方，共178片管排组成。二级过热器布置在炉膛内一级再热器下方。二级再热器布置在炉膛内二级过热器下方，共44片管排。三级过热器布置在炉膛内二级再热器下方，共22片管排组成。一级过热器出口段布置在炉膛内最下方，共22片管排组成。
螺旋水冷壁由于制造和运输等因素的制约，管屏的尺寸不可能做的很大，因此交付现场安装的数量很多。螺旋水冷壁的过渡段，燃烧器水冷套和炉底管排的连接管按三维立体角设计，几何形状特别复杂，同时前后与左右水冷壁角部之间采用光管弯头连接焊接过渡管的螺旋角的安装角度只要偏差1度，到运转层其中心就要偏转较多，因此采取科学有效的施工方法来控制螺旋管圈水冷壁的整体偏转是安装过程和焊接变形控制的重点。
焊接特点
焊口数多，焊接工程量大；
涉及钢种多。常见的钢种有SA213T12、SA335P11、15CrMo、SA335P22、12Cr1MoV、0Cr18Ni9Ti等，新钢种有：SA213TP310HCbN、CodeCase 2328 、T23、T/P91、T/P92等，受热面及管道焊口基本都采用了合金钢；
焊接、返修的难度相当大，主要有两方面原因，一是省煤器、过热器、再热器管排之间，及管排与水冷壁之间的间距很小，焊接操作上需采用镜面焊技术的焊口有近万只。这些焊口一旦出现返工，则打磨、割口的难度相当大，返修时，焊工的操作将更加困难。
2 镜面焊接
焊口的局部位置肉眼无法观察到，采用以往常用的焊接方法在该位置无法施焊，只能采用镜面焊法，这一工艺改变了焊工的视觉，影响了工程进度并使焊接质量难以保证。为此，根据工作量培训了40余名熟练掌握镜面焊技术的焊工。
根据不同的热处理特点，制作了一批专用的热处理加热器。
必须采用镜面焊工艺的钢材品种、规格、数量见下表1 。
表1 镜面焊口的规格、数量、钢种
分项工程 材 质 规 格 焊口数 焊接工艺 焊丝 标高 1省煤器进口散管与管排焊口 SA210Cφ×1344WsTGS-501042省煤器出口散管与管排焊口 SA210Cφ×1344WsTGS-501103一级过热器进口散管与管排焊口 12Cr1MoVGφ×672WsTIG-R311134二级过热器进口散管与管排焊口 SA213T91φ×1344WsTGS-9cb955二级过热器出口散管与管排焊口 SUPER304Hφ×1344WsYT-304H90

煤器为例，具体阐述镜面焊焊口的布置和结构特点见：图1省煤器焊口位置布置图。
省煤器通过一级过热器悬吊管的悬吊在锅炉顶部，管子呈锅炉的前后方向布置，每片管排均为六套管，管排为锅炉左右方向排列， 178排，节距120mm，上下管子间距为，管字口径为φ mm
焊接顺序：分别从炉左和炉右两侧往锅炉中心焊接。在焊接每一排焊口时，待焊焊口靠近已焊好的管排侧的从仰焊至立焊位置这一段焊缝，在层间填充焊接时肉眼无法观察到，必须采用镜面焊。图一所示的焊接位置是左右两侧都已焊至锅炉中心，剩下最后八排，此时焊接顺序改为由下往上焊接，镜面焊的焊缝长度最长，如图一中所示的焊口由2-3-4的区域为焊缝的镜面焊区域，即从立焊至仰焊至立焊为镜面焊区域，因此难度也是最大的。这些焊口焊接时，焊工只能蹲在或俯卧在管子上，通过镜面焊完成焊口的下半部分。
图1 省煤器焊口位置布置图
工器具准备要求
由于管排节距实在太小，原有的刚性氩弧焊焊枪不能满足现场焊接的需要，我们采购了可以三百六十度改变焊枪角度的挠性氩弧焊枪，根据现场的具体焊接位置和障碍，弯曲焊枪手柄和焊嘴之间的角度，让焊工握枪的手能放在一个相对舒适且可以操作的位置，使得焊工能够进行焊接，完成一只镜面焊焊口的打底有时甚至需要改变焊枪角度四至五次。
根据管排的布置仿制了镜子，该镜子尾部是一块强磁铁，起到固定镜架的作用，头部是一块涂铬的不锈钢双面镜，厚度为一毫米，中间是一根挠性金属软管，连接尾部和头部，其中在与头部连接时采用了万向节，可以三百六十度旋转镜子，另外也可以通过拗弯挠性金属软管将强磁铁吸附固定到合适的位置，仿制的镜子使用起来比较实用。
　　焊接
对口
对口前检查焊接坡口及两侧的打磨清理情况，每侧各为15-20mm，然后使用专用对口夹具进行对口，对口时应达到下列要求：
1.钝边尺寸控制在，便于焊工控制焊接温度，降低焊工打底的难度，确保获得熔合良好的根部焊缝。
2.由于氩弧焊打底必须采用内加焊丝法，对口间隙应控制在 mm之间。焊丝的直径为φ，因此间隙必须大于，使得焊接过程中通过坡口送丝能自如进行，又能方便焊接过程中通过焊缝间隙观察熔池和根部焊缝成型。对口应呈喇叭口，仰焊位置根部间隙应增大，为，平焊位置根部间隙小，为，焊接过程中保证可自如地送丝，对口前进行坡口端面的修正，使之达到上述范围、
3.观察对口有否错口，错口值不得大于壁厚的百分之十。
4.观察管子对口偏折程度不得大于规范要求的1/200。
点焊
氩弧焊打底采用内加丝工艺，因此对口点焊的位置与普通焊口的点焊是不同的，点焊位置选择在偏离平焊位置四十五度的两侧，点一点，点焊长度为6-8 mm，这样点焊的好处是，肉眼视线能够方便地通过平焊位置的对口间隙看清根部焊缝熔池。
镜子的摆放
镜面焊前，首先要摆放好镜子的位置，应达到两个要求：
1.要便于肉眼通过镜子的反射观察焊缝的熔池状况。
2.不能影响氩弧焊焊枪的位置摆放和焊接过程中焊枪的行走、摆动，具体如图2所示。
图2镜子摆放位置
氩弧焊打底
采用全氩弧焊接工艺，选用神钢TGS-J50焊丝，焊丝直径为φ。
氩弧焊打底采用内加丝焊法，不需要镜面焊，关键是要控制氩弧焊枪的摆动的稳定性，确保焊缝根部二侧的熔化。由于是全位置焊口，氩弧焊接头的位置每只焊口都一样，均在仰焊、立焊、平焊位置，因此接好每一个焊缝接头，必须用肉眼在笔式手电筒的照明下检查接头状况，保证氩弧焊打底的质量。另外，根据焊口的位置特点，每只焊口的平焊或仰焊的接头是根部焊缝的封头，无法进行目视检查，只有经过无损探伤才能确认接头是否合格，因此焊工的操作技能必须熟练。
氩弧焊打底焊缝根部检查完成后，外表必须严格检查，检查的主要内容是焊缝与母材的熔化是否良好，如存在未熔合现象，必须将缺陷打磨掉，并圆滑过渡；焊缝的高低差、宽窄差也是检查的项目，如有也必须进行打磨，使得焊缝在周向比较平滑，轴向焊缝宽度保持一致，为镜面焊创造良好的条件，降低在镜面焊时的焊工操控难度。另外，焊接过程中焊缝表面产生的氧化物在填充前必须清除，否则易产生夹渣。
中间填充
氩弧焊打底结束后，进行层间焊缝的填充，如图1由2-3-4的位置是镜面焊区域，首先选择好焊工的操作位置，然后固定镜子，并调节好镜面的角度，在正常焊接条件下无法观察的坡口用镜子看，便于焊接时通过镜面的反射观察熔池。焊丝也必须结合具体的焊接位置和焊缝的弧度，适当拗曲变形，既便于拿焊丝的手选择相对开阔的位置，动作灵活，容易将焊丝送到熔池，又可以防止焊丝干扰焊工的视线。
由于通过镜子观察熔池，弧光反射非常强烈，氩弧焊枪的钨棒看不清楚，引起送丝时焊丝与钨棒经常碰撞，造成钨棒尖头形状变形，所以焊接过程中焊丝必须紧贴焊缝，连续送丝就可避免上述情况的发生。另外，如果焊丝为直线状，在焊接过程中还很容易发生焊丝往镜中的熔池送，影响正常的焊接。
在镜面焊时，通过镜子看到的焊缝是平面图象，镜中焊缝不具有立体感，且弧光与熔池的镜像互相叠加，电弧光过于强烈，要清晰分辨出熔池几乎不可能，因此焊缝的厚度控制较难，易发生偏厚或偏薄，容易产生缺陷，造成层间温度偏高。
由于镜面焊是通过镜子的反射来观察熔池，相对于正常焊接速度较慢，为便于层间温度的控制，电流必须比正常焊接时降低10%。
盖面前一层填充层的焊接时，应基本填平坡口必须将焊缝两侧的坡口线留下，不得将其熔化掉，此坡口基准线将作为盖面时至关重要的基准线，便于获得满意的焊缝直线度。
焊缝盖面
盖面前首先检查填充焊缝的表面成形，清理焊缝表面的氧化物，直至焊缝达到平滑与均匀。
同一只焊口在填充和盖面过程中需要镜面焊的焊缝在长度上是不同的，这是因为不可见的焊缝的角度是一样的，随着填充厚度的增加，焊缝半径也在增加，因为盖面层的半径r加大，所以盖面焊缝的镜面焊长度加长，且焊缝加宽，在焊枪的摆动和控制上难度最大，要求也最高。
焊接时，应以两侧坡口线为基准线，焊缝熔池向母材侧延伸的距离，使焊缝的宽度比坡口宽度大1-2mm，并始终保持这一宽度；焊缝的加强高度应呈弧形，两侧低中间略微高一些，并在焊缝的周向上保持这一高度；还应以两侧坡口线为基准线，焊接时一直保持这一直线度；只要保证以上三点操作工艺，就能获得良好的焊缝外表成形。
镜面焊焊口只能一只一只地按顺序焊接，而不能按照以往一个焊工交替焊接二至三个焊口，达到控制层间温度的目的，又提高了焊接效率。因此层间温度的控制在镜面焊中显得尤为突出，在实际焊接过程中，只能牺牲效率，层间温度过高时焊工必须中断焊接，待焊缝温度降至正常范围后重新焊接。
3、结论
USC塔式炉受热面管道布置紧凑给安装和检修带来了困难，采用镜面焊工艺，解决了工程中的关键问题。通过培训、实际操作探索出一套较为成熟的镜面焊工艺，使得对镜面焊工艺有了比较全面的认识。对焊接过程中会碰到的各种问题，提出了切实可行的解决措施。
总结
1.镜面焊接是设计不合理造成的一种特殊的焊接方法，可应用于实际施工。
2.焊工必须进行严格的模拟培训考试合格后才能胜任该焊接工作。
3.必须配备合适的焊接辅助机具如专用镜子、挠性氩弧焊枪等。
4.氩弧焊打底必须采用内加丝法焊接，而可以不采用镜面焊工艺。
5.必须严格控制每一层焊缝表面成形，以确保整个焊接接头的焊接质量。
6.焊接材料的选择和热处理工艺与常规焊接工艺相同。
参 考 文 献
5007 《电力建设施工及验收技术规范(火力发电厂焊接篇)》
308001-2003 《施工过程控制程序》