高压主汽调节阀接管焊接修复技术

【摘要】某电厂百万机组高压主汽调节阀在进行材质检验时发现，进、出汽接管材质与设计要求材质不符，对机组的使用功能和安全保障有很大影响，需要更换和修复。本次修复将原有非对称型坡口优化为对称型坡口形式，采用分散焊接顺序，在不妨碍装焊的原则下适当加装固定拉筋，防止修复过程产生焊接变形和位移；焊接过程中，严格控制预热温度和层间温度，焊后及时进行热处理。结果表明，焊接修复后的接头组织为回火马氏体，阀门变形在设计允许范围内，焊接质量达到了JB/T4730-2005I级合格标准。
0.前言
某电厂1000MW机组高压主汽调节阀在进行材质复验时发现，进、出汽接管材质与设计要求材质不符，既影响电厂的安装周期，又使主汽调节阀在运行过程中存在安全隐患。为了将影响程度降至最低，必须在最短的时间内完成接管的更换。由于1000MW高压主汽调节阀结构和材质均比较特殊，是已发往电厂的成品，要在短时间内实现接管更换修复将面临多方面的技术难题。

1.结构简介
1000MW高压主汽调节阀由四个主汽阀和四个调节阀组成，每个阀门连接一个接管，阀门本体材料为ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，进、出汽接管材料均为P92锻件。组焊工艺流程复杂、周期长，整套阀门组焊完耗时至少需三个月，整套阀门组装后质量约80t。高压主汽调节阀实物结构如图1所示。

图1 高压主汽调节阀实物结构
2.技术难题分析
2.1 焊接性分析
阀门本体材料为ZG1Cr10Mo1NiWVNbN，属于超低碳复相马氏体钢，焊接时淬硬性大，冷裂倾向明显，容易形成脆化组织，成分为马氏体和马氏体+铁素体组成的边界区。冷却速度较快时，易产生粗大马氏体，焊缝热影响区硬脆化；冷却速度较慢时，易产生粗大铁素体，焊缝热影响区塑韧性显著下降。P92钢属于低碳（w（C）=0.07%～0.13%）高合金（合金含量大于10%）耐热钢，淬透性很强，含碳量较低，其冷裂纹敏感性并不大，但对温度较为敏感，须严格控制预热温度和层间温度。
2.2更换接管技术难度分析
如图1所示，组焊后的主汽阀接管焊缝无法像单件阀壳焊接时实现横焊位，只能采用全位置焊接。由于同时去除了四组主汽阀接管、四组调节阀接管，改变了原有工艺的焊接模式，若同时更换接管，因主汽阀1#和2#、3#和4#接管开档距离为831mm，2#和3#之间距离为1232mm，如果四个管口同时焊接，操作时会产生干涉，另外，由于阀门空间狭小且加速器体积较大，射线探伤也会发生干涉。
阀门已精加工到位，阀体和接管焊缝必须“热焊”，因坡口较深，焊接量大，很容易产生焊接变形。如果阀门变形，将直接导致阀门与阀盖以及阀芯件无法装配、密封，焊接变形控制非常难；电厂返回的阀壳是精加工件，焊后的热处理只能采用局部回火，由于阀壳表面积较大，散热面大且采用中频热处理时温差较大，热处理过程控制较难。

3.技术难题解决
3.1接管焊接修复工艺
采用氧乙炔火焰加热的方法进行焊前预热，预热温度为250℃～300℃，使用测温仪测量预热温度。采用石棉布包裹焊缝两侧附近的接管和阀壳本体，避免热量散失。采用手工氩弧焊打底，焊条电弧焊填充、盖面，焊接参数见表1，氩气流量8～15L/min，直流正接，焊接速度20～35mm/min，每道摆动宽度小于等于10mm，每层堆焊厚度小于等于4mm，每焊完一层要及时进行清理。预热温度达到后开始焊接，层间温度控制在300℃～350℃，焊接过程中不允许有任何缺陷。

表1 焊接参数表
3.2接管焊接坡口优化
如图2a所示，原设计接管与阀壳焊接坡口为单边30°V型非对称形式，坡口深，焊接工作量大，焊接变形不易控制，焊接过程容易发生干涉。本次修复采用了如图2b所示的坡口角度为16°的对称型焊接坡口形式，焊接工作量小，焊接变形较易控制，节约了修复时间。

图2 主汽阀装焊坡口优化

3.3焊接变形控制
接管与阀壳为对接环焊缝，坡口深度约180mm，焊接过程中容易产生角变形，这将影响高压主汽调节阀进、出汽接管与电厂管道的安装精度，所以在修复过程中应严格控制接管与阀壳的焊接变形。主要采取了以下措施进行控制：
（1）装配要求。坡口根部径向及轴向错位不超过±1mm，两侧坡口间隙为2mm，在不妨碍装焊的原则下适当加装固定拉筋，以防止焊接过程中产生变形和位移。
（2）焊接参数的选取。为减小热量输入合理控制焊接变形，焊接时尽量采用小线能量的焊接参数。
（3）焊接顺序的确定及焊接变形的监测。为避免操作工对称焊接时受操作空间的限制，在保证返修周期的前提下，采用分散焊接顺序，优先装配并焊接1#、3#主汽阀接管，再装配焊接2#、4#接管。采用两人对称施焊顺序，实行多层多道焊接，施焊中注意焊道间的交错和结合，避免出现“死角”，并保持焊道平整，焊道布置示意如图3所示。焊接过程中厚度方向每焊30mm须检测接管与阀壳中心以及接管与接管中心相对尺寸。

图3 焊道布置示意
（4）降低温度梯度。焊接时阀壳外部始终采用中频感应加热，内部采用柔性陶瓷电阻加热片进行补热，使工件焊接部位的温度维持在200℃～250℃。
（5）探伤时间的确定。为降低返修焊接缺陷的风险，避免因重复返修焊缝而造成的焊接变形，在焊接至80mm深时停止焊接并进行无损检验，合格后方可继续焊接。
3.4焊后热处理控制
由材料焊接性可知，ZG1Cr10Mo1NiWVNbN淬硬性大、冷裂倾向明显，P92钢对温度敏感，为防止接头产生缺陷，焊接后应及时对接头进行热处理。为了验证修复后接头的微观组织，在焊接产品的同时，采用相同的工艺焊接试验块，并与产品同时进行热处理。本次修复焊缝外部采用中频感应加热器，内部采用柔性陶瓷电阻加热片补热，温度采用沿焊缝周向对称布置的四只热电偶进行监控。升温速度不超过80℃/h，降温速度不超过60℃/h（200℃以下不控制降温，自然冷却），为了充分得到回火组织，温度控制在710℃～730℃，保温8h。
试验块热处理后的焊缝接头微观组织如图4所示。由图4可知，焊缝、热影响区和熔合区均为回火马氏体组织，具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能。

图4 试验块焊缝微观组织
4.接管更换后的产品检验
通过对焊缝布氏硬度（见图5）进行检验可知，接头硬度处于180～230HB，最大值位于焊缝中心区域。由此可知，经过热处理后的焊缝获得了与母材相近的硬度值。
经无损探伤检验，接管焊缝质量达到射线探伤标准和超声波探伤标准Ⅰ级检验要求。阀壳形位公差检验结果如表2所示。由表2可知，各主要形位面的变形量均在设计要求的0.10mm范围之内，满足装配要求。

表2 阀门各主要形位面变形量 mm
图5 焊接接头显微硬度分布
5.结论
（1）百万机组高压主汽调节阀接管更换技术难度大，通过对ZG1Cr10Mo1NiWVNbN和P92材质对接环焊缝检验可知，本次修复有效地避免了裂纹等焊接缺陷的产生，焊后获得了回火马氏体组织，保证了焊接接头的性能。
（2）将原有焊接坡口进行优化设计，采用分散焊接顺序，并适当加装固定拉筋，有效防止了修复过程产生焊接变形和位移，焊接顺序合理。

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