專欄：019期
在役火電廠大型重要設備構件綠色焊接修復關鍵技術研究與工程應用
本文選自第八屆（2016年度）
全國電力職工技術成果獎
該文榮獲一等獎
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項目完成人信息
項目完成人：王淦剛、陳忠兵、孫志強、朱平、楊佳
所在單位：蘇州熱工研究院有限公司
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項目針對問題現(xiàn)狀
電站大型重要設備構件如鍋爐汽包、集箱、汽輪機汽缸、葉輪、除氧器等，在溫度、壓力、介質等服役環(huán)境因素的作用下，經(jīng)過一定周期的服役，難免會出現(xiàn)材料老化損傷甚至變質，母材特別是焊接接頭的組織、成分、力學的不均勻及不連續(xù)性，在工作應力、焊接殘余應力及疲勞應力的作用下會出現(xiàn)裂紋等缺陷，尤其是貫穿性缺陷，會導致設備的泄漏甚至爆炸，帶來重大的人員或財產(chǎn)損失。
為確保機組的安全運行，當檢測出設備構件超標缺陷（尤指裂紋如下照片），發(fā)電企業(yè)將面臨設備更換或修復的選擇。針對電站大型重要設備大面積缺陷的早期失效的更多選用更換設備構件；也有采用返回制造廠修復或更多拆除安裝狀態(tài)，在現(xiàn)場地面焊接修復方式，但這種情況將帶來檢修工期長、材料、能源消耗大、費用高；對大型設備構件在安裝位置，采用先進的焊接工藝，實現(xiàn)低耗、節(jié)能、快速的綠色修復技術顯得非常必要和重要。
通常低合金鋼、Cr-Mo耐熱鋼及馬氏體鋼等設備構件大多采用同質焊材的焊前預熱及焊后高溫回火消應力焊接修復工藝；部分設備構件早期失效采用異種金屬焊材的不預熱，免焊后熱處理的冷焊修復工藝；國外部分設備采用自動焊修復技術，而國內更多采用手工焊修復技術；國外不僅關注修復后的接頭質量性能，而且開展修復后的安全性能評價；國內更多關注修復后的質量性能檢測，而對全面系統(tǒng)的運行安全性評價不夠。
注：照片第一排鍋爐集箱角焊縫裂紋（左）、汽輪機葉片裂紋（中）、除氧器內壁裂紋（右）；第二排汽輪機汽缸裂紋（左）、鍋爐汽包內壁角焊縫裂紋（中）、主汽閥前異種鋼焊縫裂紋（右）。
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項目原理說明
（1）本項目針對焊接修復特殊工藝的“黑箱”特點，將“系統(tǒng)工程”的新思路運用于大型設備的焊接修復，即全面系統(tǒng)的掌握失效機理與根本原因，利用原材料、設備制造、安裝、維修、運行等技術經(jīng)濟信息全面優(yōu)化修復方案，采用針對性更強、技術更先進綠色節(jié)能環(huán)保的全方位焊接工藝措施，確保修復焊接接頭的質量和性能。
（2）大厚壁汽包裂紋內壁裂紋的焊接修復及熱處理加熱工藝并控制應力變形是關鍵技術，本項目內壁采用框架輻射電阻加熱器、外壁采用履帶式加熱片分區(qū)加熱控溫，過程中溫恒溫消應力，嚴控升溫速度，達到了控制汽包溫差防止變形的重大問題；采用理論計算及現(xiàn)場變形監(jiān)測，有效控制汽包變形；
?。?）采用超低氫低強度高韌性焊接材料以期獲得抗裂性更好的高韌性焊縫金屬；采用焊后中溫+高溫回火消應力新技術，有效解決Cr-Mo-V該類鋼的再熱裂紋問題；
(4)采用低溫預熱、免做焊后熱處理的冷焊工藝，并輔以堆焊鎳基過渡層、鑲焊碳鋼板，降低焊接熔敷量，對稱焊等技術有效解決了Cr-Mo耐熱鋼厚壁鑄件大面積穿透性裂紋補焊過程的開裂及剝離問題；
(5)設計專用加熱裝置及專用錘頭快速錘擊消應力，有效解決了大厚壁構件特別是冷焊的殘余應力大而導致裂紋及變形等難點問題；
(6)進行焊前焊接殘余應力測試及模擬計算，為更富針對性的焊接修復工藝規(guī)范提供了降低應力的依據(jù)；
(7)采用手工焊技術實現(xiàn)大型設備構件不需拆卸在原安裝位置的焊接修復，解決了檢修工期長，重新安裝定位難、變形等發(fā)電企業(yè)技術經(jīng)濟難題；
(8)采用系統(tǒng)全面的焊修后構件的安全評估，為電站設備壽命預測、優(yōu)化檢修、金屬監(jiān)督、避免非計劃停機及惡性事故發(fā)生，確保機組安全經(jīng)濟可靠運行，提高發(fā)電企業(yè)經(jīng)濟及社會效益奠定了基礎。
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項目實施效果說明
?。?）實用化程度
本項目以解決現(xiàn)場實際關鍵技術問題為目的，其實用化程度頗高。利用項目對各重大設備構件失效機理及根本原因分析并進行經(jīng)驗反饋，為防止同類問題產(chǎn)生及分析提供支持；其關鍵技術在電廠的安裝位置實現(xiàn)設備構件的修復再制造，不僅解決了諸多重新拆裝的技術問題，同時節(jié)約了大量資源消耗。大厚壁汽包修復利用內外壁不同加熱工藝關鍵技術不僅解決了溫度的均勻技術難點，而且有利于保證汽包修復過程的應力與變形可控等設備的穩(wěn)定性問題；采用中溫+高溫回火處理有效防止Cr-Mo-V鋼產(chǎn)生再熱裂紋問題，冷焊修復對難以進行焊后熱處理的大型鑄鋼件有很好的實用性。設備修復后安全性評估可用于同類設備的壽命評估、優(yōu)化檢修及維修策略。本項目不僅具有解決現(xiàn)場關鍵技術的實用性，而且具有降低消耗、節(jié)約資源、提高經(jīng)濟和社會效益的實用性。
（2）應用范圍
本項目主要用于常規(guī)火電廠大型主要設備低合金鋼、耐熱鋼部件的現(xiàn)場安裝位置的失效焊接修復，而且也可用于核電廠常規(guī)島重大設備同類部件的修復；同時也可用于石油化工、各種工程機械設備早期失效的焊接修復，實現(xiàn)裝備在原安裝位置的現(xiàn)場“綠色再制造”。
?。?）經(jīng)濟及社會效益
與國外修復比較器修復設備投入可以節(jié)約50%～60%。采用設備原安裝位置就地焊接修復減少拆裝消耗80%～90%。采用設備修復再制造恢復其設備功能性能，避免更換新設備，可節(jié)省總投入90%～95%。由于采用焊接修復的綠色再制造技術，使材料、能源、機械、人工等降低到最小程度，從而實現(xiàn)了低耗、節(jié)能、綠色、環(huán)保的社會效益；確保了設備安全可靠運行，最大程度降低了安全風險。由于采用焊接修復縮短了檢修工期，實現(xiàn)了發(fā)電企業(yè)新增發(fā)電量，不僅增加企業(yè)的經(jīng)濟效益，而且為社會提供了急需的電力資源，促進了社會和諧。
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項目推廣前景描述
本項目的科技成果近年來得到了良好的推廣應用。不僅在本項目中應用于大唐馬頭電廠汽包修復、淮北電廠氣缸修復、國華盤山電廠主汽閥修復、常熟電廠轉子葉片修復，而且推廣應用于廣西來賓電廠汽包修復、大唐石門電廠汽包修復、國華寧海電廠氣缸及葉片修復、蒲城電廠轉子葉片修復，國華綏中、伊敏、余姚電廠主汽閥修復等項目。同時將Cr-Mo-V鋼防止再熱裂紋產(chǎn)生的低匹配焊材及中溫+高溫回火技術推廣應用于12Cr1MoVG及15Cr1Mo1VG（俄羅斯鋼號15X1M1Φ）管道、集箱、鍋爐部件等的焊接修復，獲得頗高的技術經(jīng)濟效益。
由于該項目具有技術先進、節(jié)能環(huán)保、低耗高效、恢復或提高設備構件給您和性能的綠色再制造等優(yōu)勢，可推廣應用于火電站大型重要設備的汽包、汽缸、葉輪葉片、管道、集箱、等構件的安裝位置的缺陷修復，因此不僅可在電力行業(yè)全面推廣，而且可以在其他行業(yè)的機械設備缺陷修復中推廣應用，必將帶來頗大的市場和經(jīng)濟社會效益的前景。
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創(chuàng)新點、效果歸納
1.創(chuàng)新點
?。?）采用現(xiàn)場勘查、取樣試驗、宏觀微觀、經(jīng)驗反饋、理論分析、模擬計算、理化性能、運行環(huán)境、材質評估、應力測試、技術資料分析等技術集成研究各設備構件的失效機理，分析其產(chǎn)生缺陷的根本原因，為修復技術方案制定及防治同類設備早期失效提供科學依據(jù)。
?。?）采用超低氫、低配、高韌性的焊接材料，中溫+高溫回火處理有效防止Cr-Mo-V鋼的產(chǎn)生再熱裂紋問題。
?。?）對難以進行焊后熱處理的大型鑄鋼件，采用鎳基焊接材料、冷焊技術現(xiàn)場安裝位置修復大面積貫穿性裂紋，實現(xiàn)低耗、節(jié)能、環(huán)保、綠色再制造。
（4）采用內外壁不同加熱方法，解決了大厚壁構件預熱及焊后熱處理技術關鍵，有效控制設備修復的應力和變形，確保了設備構件的尺寸穩(wěn)定性。
?。?）集成焊接工藝及接頭性能試驗數(shù)據(jù)，檢測修復焊接接頭的金相組織、力學性能（如硬度等）、無損檢測、焊接殘余應力的測試及計算的結果，結合材料評價、運行的工況等對焊接修復后的構件接頭進行安全可靠性評估，為優(yōu)化維修、壽命評估及機組安全運行提供技術依據(jù)。
2.效果歸納
本項目采用系統(tǒng)全面的檢測試驗、進行設備構件早期失效的根本原因分析，采取正對性更強的低耗、節(jié)能、高效、環(huán)保、綠色的焊接技術，對電站大型重要設備構件的早期失效實現(xiàn)在安裝位置的缺陷修復的再制造，恢復或提高其設備構件的功能和性能，修復后進行設備構件的安全可靠性及壽命評估，從根本上解決了在役電站大型設備構件在不返廠情況下安裝位置的修復關鍵問題，具有頗高的技術、經(jīng)濟和社會效益。
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