珠海电厂1号炉汽包接管座焊接缺陷的发现及修复
刘红文 董智明 童亮 陈顺强
广东省电力试验研究所，广州 510600
珠海电厂一期工程两台700MW燃煤机组是从日本三菱重工公司引进的。其汽包参数为：蒸发量2290t/h，压力20.38MPa，温度367℃，总长32634mm，风径1676mm，壁厚178mm和172mm，材质为SA299。1998年4月，广东省电力工业局锅炉压力容器检验中心人员对其1号炉汽包的制造质量进行检查时发现，汽包上直径133mm以上接管座角焊缝存在较多针孔缺陷，对日后运行造成危害。经过制订合理的修补方案，缺陷得到成功地修复。
1 汽包管座的结构形式
珠海电厂1号炉汽包管座共计138个，针孔分布于上升管接管座，饱和蒸汽引出管接管座和安全阀管座角焊缝上。这些管座设计结构形式如图1和图2。
图1 安全阀管座结构设计图
图2 上升管/饱和蒸汽引出管管座结构设计图
安全阀管座材质为SA105，外径为225mm，壁厚为72.5mm；上升管/饱和蒸汽引出管的管座材质为 SA106-C，外径为216.3 mm，壁厚为57mm。实际采用的制造结构形式如图3和图4。
图3 安全阀管座的实际结构
1—焊缝底层；2—焊缝中间层；3—焊缝上层
图4 上升管/饱和蒸汽引出管管座的实际结构
1—焊缝底层；2—焊缝中间层；3—焊缝上层
管座焊缝采用的焊接方法为：1)底层，手工电弧焊；2)中间层，全自动熔化极CO2气体保护焊；3)上层，手工熔化极CO2气体保护焊。
由图1至图4可知，设计的结构形式中，中间层自动焊焊至管座表面上边缘附近，经过打磨至与上边缘齐平，再用手工CO2气体保护焊焊出等边焊脚，但焊脚并未完全覆盖下边坡口宽度。实际制造的结构形式则考虑使焊脚完全覆盖住下边坡口宽度，以增加接头的强度。因此，我们可将设计形式中的焊脚尺寸理解为最小必须满足的尺寸。
2 缺陷发现过程的讨论
在珠海电厂1号炉汽包直径133mm以上管座发现的焊接缺陷是针孔缺陷，针孔是一个危险性相当大的缺陷，它往往是自焊层内部缺陷源开始一直贯穿至表面，除了减弱焊缝强度外还可能诱发微裂纹，直至产生裂纹。判定针孔与表面气孔区别主要是深度不同，可用直径约为0.1mm的金属丝自表面开口处插入，深度较深(一般大于1mm)的为针孔。
ASME(95)标准第Ⅰ卷PW—40条规定：焊缝不允许存在外观检查可发现的裂纹、针孔、表面气孔、未熔合缺陷。在最初的检查中，检验人员通过外观检查已发现管座焊缝存在针孔，同时着色探伤也印证了针孔的存在。为了便于显示和记录，我们扩大了着色探伤检查的比例，对管座焊缝进行了100%的着色探伤，所有针孔缺陷显示无遗，得出了与外观检查一致的结论：汽包的138个管座有53个存在针孔，缺陷比率高达38.4%。缺陷通过拍照形象地记录下来。高比例的针孔缺陷得到了业主和三菱公司的极大重视。
3 缺陷情况
针孔缺陷分别位于管座接管侧和筒体侧，三菱公司对缺陷打磨处理并经外观和着色探伤复查，确保缺陷完全消失，并对缺陷的深度、位置、宽度作了详细的记录，按其严重程度将上述53个缺陷分为3类：1)打磨后尚满足设计焊脚尺寸的为第一类；2)打磨后焊脚尺寸小于设计值，但深度小于10%母材壁厚的为第二类(即筒体侧缺陷小于17.5mm，上升管接管侧缺陷小于5.7mm，安全阀接管侧小于7.25mm)；3)打磨后深度大于10%母材壁厚的为第三类。这样分类得出第一类缺陷13个，第二类缺陷33个，第三类缺陷7个。如图5所示。
图5 三类不同深度的缺陷
4 缺陷产生的原因
管座角焊缝最上层采用的是手工熔化极CO2气体保护焊，焊接时，熔池无熔渣保护。又由于CO2是冷却性气体，使得焊接时熔池凝固比较快，产生FeO+C=Fe+CO反应，CO来不及逸出，于是在焊缝中形成CO气孔。
此外，当CO2气体中含有水分，工件表面存在油漆及铁锈，以及焊丝中含有的水分均易导致氢气孔的产生。按照三菱公司上述管座的焊接工艺，焊层深度最大值为12mm，针孔很可能为CO气体从焊层内部向表面逸出的过程中所形成。气孔会往上一直贯穿到表面，即针孔深度等于焊层深度。管座焊缝由3层构成，在消除缺陷的打磨处理过程中，去除上层焊层针孔后，若发现下层焊层的气孔或针孔等缺陷就要一直挖下去。这样，一些挖出来的凹坑深度就超过单层焊层深度，其中最深处达22mm。
5 缺陷的修复
5.1 确定修复方案
经过有关各方认真的协商讨论，对珠海电厂1号炉汽包最终采取了焊前预热、补焊，焊后整体热处理的方案。理由为：
a)按照ASME材质分类方法，有缺陷管座材料均属PN01类，其外径均大于168mm，ASME明确规定，外径大于168mm的PN01类材料管子经过焊补的，必须做焊后热处理。由此知，第二类、第三类缺陷均需要作焊后热处理。这两类缺陷共计40个，均匀地分布于整个汽包，如果局部热处理，就必须沿整个汽包长度方向分成几个等温段分别进行。
b)局部热处理尽管设置了重叠区，但由于汽包是厚壁，刚性大的特殊部件，局部热处理不可避免产生巨大的热应力和组织应力，热处理完成后仍有较大残余应力存在，很容易产生缺陷。
5.2 缺陷修复处理
汽包整体热处理方案的具体实施完全由日方负责，整个过程也全部在炉上进行。在完全地清除缺陷以后，做了大量细致的热处理前期准备工作，如：汽包内部管件的拆除，锅筒的吊起，屋顶和四壁的安装，锅筒挠度(用了22对应变仪)、水平度、垂直度的测量等。
热处理规范见图6。
a)预热。用镍铬合金电炉来施工，温度175℃，用温差电偶测定，保持温度准确。
b)缺陷处补焊。焊材为LB-62(直径3.2～5.0mm)，其各项性能指标与母材接近。
图6 热处理规范示意图
c)后热。用镍铬合金电炉来施工，温度300℃(且不低于300℃)，保温时间1h以上，用温差电偶测定，保持温度准确。
d)用砂轮机修补焊接部位，打磨平滑，而后进行外观检查和着色探伤。
e)检查合格后，在汽包各处均匀安装温差电偶，包上保温材料。
f)焊后热处理：火焰喷入汽包内部加热，为了防止汽包变形，三菱公司借助于桥梁计算模式，有效地防止了变形的产生。其工艺为：保持温度600～650℃，保持时间1.0h以上，上升温度和下降温度均为55℃/h以下。
热处理完毕，拆除保温并把锅筒降下后，多次测定其水平度、垂直度和挠度，以保证汽包恢复原样和安放在准确的位置上。最后修整补焊部分表面，涂上油漆。
比较补焊后热处理时间-温度图与厂家制造时焊后热处理时间-温度图，二者几乎没有区别。汽包整体热处理过程中，准备工作和善后工作细致完备，热处理工作认真出色，达到了预定要求。
6 结束语
a)日方在现场进行700 MW机组汽包整体热处理，其工作方法是先进的、科学的，证明了汽包在炉顶进行大面积缺陷修复的可行性，值得我们借鉴。
b)通过这次检验，强化了我们对于进口机组设备的质量意识，使我们对进口机组设备的检验程序更加清楚。
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