GR91高合金耐热钢膜式管屏裂纹及防变形控制工艺研究

闫忠理

【摘要】针对GR91高合金耐热钢膜式管屏在施工过程中易出现裂纹及变形的问题，在组合施工前排除外部因素影响后，采取合理的反变形、刚性加固、焊接及热处理工艺等一系列措施，在本工程中有效实施后，达到了防止高合金耐热钢膜式管屏出现裂纹及减小管屏变形的效果，为今后机组的高合金耐热钢膜式管屏的焊接热处理工作提供参考及借鉴。

【关键词】膜式管屏 刚性加固 热处理 裂纹 变形

1. 前言

循环流化床锅炉以其环保性能好、燃料适应性广、负荷调节能力强、灰渣综合利用方便等优越性被世界所关注，电站数量越来越多，对循环流化床锅炉安装技术的研究逐渐增加。

巴西某循环流化床锅炉项目的GR91高合金管屏为膜式结构；因整片管屏面积较大，设备供货只能采取分段、分片供货。每小片管屏的管子材质均为SA-213T91,管子间的鳍片材质均为SA-387GR91。SA-213T91管子的对口焊接工艺，在相关的文献中已有成熟的施工经验，而同材质级别的SA-387GR91的管屏密封焊接的可借鉴经验很少，管屏密封焊后的热处理经验更是空白的状态。为使管屏密封的裂纹及变形得到有效控制，本文将系统阐述本工程中针对管屏裂纹及变形的控制措施。

2、高合金耐热钢膜式管屏密封焊接热处理特点

2.1焊接热处理工作量大

管屏密封焊接类型分为3类：管屏间长拼缝焊接(长度为13m)、组合焊口处的密封块焊接(宽度为2m共31块密封块)、对口时割开的厂家鳍片的焊接，且所有的焊缝均要求双面焊接及焊后的焊缝均需要进行热处理。

2.2焊接工艺要求严格

管屏密封鳍片为SA-387GR91材质,该材料焊缝有很大的淬硬及冷裂倾向，易形成硬脆、粗大的马氏体组织。因此针对此材质的焊接，必须实施有针对性的焊接工艺措施，如严格的焊前预热、焊后缓冷，合理的焊接顺序。

2.3 热处理难度大

管屏局部热处理时，管屏在受热时会产生向上或向下方向变形，如加热器如不能随管屏的变化而始终贴近管屏，则会导致管屏在持续受热过程中温度梯度变的更大，从而产生更大的变形。

2.4 管屏平整度要求高

本机组为循环流化床锅炉，受热面局部的凸出变形易被磨损而发生爆管现象，所以组合和安装过程中必须控制管屏的平整度在标准要求范围内。

2.5 现场焊接难度大

由于现场条件限制，现场密封焊接采用手工电弧焊，相对锅炉厂使用的埋弧焊自动焊，现场焊接更容易出现裂纹及变形。

3、高合金耐热钢膜式管屏焊接热处理控制裂纹及变形的措施

3.1 检查组合架、设备的平整度及影响管屏在焊接热处理过程中自由膨胀的因素

3.1.1管屏在铺设在组合架之前，应通过水平仪对组合架的平整度进行测量，对于高低差超过2cm的区域进行调整，直到满足平整度要求。组合架与管屏接触平面的槽钢应光滑，组合架的所有支撑槽钢应垂直整片管屏布置，且槽钢的间距不大于2m。

3.1.2对铺设到组合架上的设备管屏，在焊前应进行平整度检查，如发现平整度超出标准的区域，通过切割鳍片调整管屏的平整度，直到满足平整度要求。

3.1.3因本项目的GR91合金钢管屏上分布大量的销钉，在焊前应在销钉与组合架之间加塞薄铁片，防止管屏在焊接热处理过程中，管屏因销钉与组合架之间相挤压而影响管屏整体的自由膨胀，使焊接热处理产生的应力集中在某一区域，造成这一区域产生较大的不可逆变形量。在焊接前，应保证管屏在除管屏与组合架方向外均可自由膨胀。

3.2焊口焊接前采取反变形法

对于地面组合焊口前(水平固定位置)应预留反变形，将焊口位置的下侧稍稍垫高，如下图所示，从管屏焊口焊接时就应考虑通过反变形法减小管屏变形量。

3.4 焊口热处理前的加固措施

焊口焊接完成后，在热处理之前，应在焊口下面的两侧使用槽钢等临时加固措施进行支撑，防止整道焊口在热处理过程中出现下塌的现象。

3.5 焊前的刚性加固措施

管屏焊口焊接热处理完成后，应对整个管屏进行刚性加固。加固的具体布置形式为：加固之间的间隙按照密封焊接时的分段跳焊(综合后续的热处理工作，本项目的分段规则为每隔1m为1个分段)要求，在管屏之间的长拼缝焊缝上每隔1m在分段中心布置一个加固。加固与管屏之间的间隙要求为：加固与管屏上方保证有1cm-2cm的间隙，管屏与加固的两侧应保证有4cm-6cm的间隙。此加固在第一次的分段跳焊热处理后进行调整，第二次应布置在已分段跳焊热处理完成焊缝的中心位置。通过两次的刚性加固，便可完成整屏管屏的焊接及热处理工作。

3.6 组对要求

因供货的管屏鳍片及密封条无坡口，焊前应将鳍片及密封条的两端打磨出坡口以保证对接焊缝可以充分熔透。密封条与管子之间的组对间隙不大于1mm，管屏间鳍片、密封条两端与厂家鳍片组对时，根部间隙不得大于3mm；焊前应将坡口两侧15mm范围内的油漆、铁锈打磨干净，直到露出金属光泽。

3.7 焊接工艺要求

采用与母材相匹配的直径为2.5mm的E9015-B9焊接材料进行焊接；焊前预热温度不小于205℃(使用测温笔检测温度)，焊接过程中层间温度不大于300℃(使用测温笔检测温度)；焊接时，电流控制在65A-90A之间，采用小电流快速焊接方式进行焊接；收弧时应适当缩短电弧填满弧坑。预热时，预热区域应在施焊位置不小于20cm内进行预热。施焊位置的对侧提前铺设保温棉，对焊完的焊缝及时使用保温棉覆盖进行缓冷。

3.8 针对管屏密封的不同的焊缝型式，制定相适应的焊接顺序

3.8.1管屏长拼缝密封：

本项目的长拼缝分段跳焊的规则为每隔1m为1个分段，在1m的范围内，焊接顺序为首先对仰焊位置进行每隔20cm的分段跳焊，焊接完成后清根，然后在平焊位置进行每隔20cm的分段跳焊。

因本项目的管屏与集箱首先进行了组合，为使焊接时的应力可得到释放，在焊前由集箱侧向管屏末端进行编号分段，焊接方向由集箱侧的奇数段向管屏末端的所有奇数段进行逐步焊接(焊前在管屏端部应使管屏有3cm-4cm的间隙，防止焊接过程中，管屏之间的末端出现相互叠入的现象)，第一次的奇数段焊接热处理完成后，进行剩余偶数段的焊接。

3.8.2焊口处密封块及对口时割的厂家鳍片的焊接顺序

因焊口处密封块及对口时割的厂家鳍片的焊缝密集，为避免在局部出现温度过高而造成应力集中和变形，焊接时采取间隔跳焊法，每隔3块鳍片焊接一个鳍片。

3.9 焊后检验

使用钢丝刷清理干净焊缝上的氧化层，进行自检和专检，发现表面缺陷及时挖除补焊。补焊时，使用ER90S-B9焊丝进行补焊，补焊确认无表露缺陷后进行热处理。

3.10 热处理工艺

热处理时，升降温速度不大于110℃/h，恒温温度范围为730℃-760℃，热处理时间不小于0.5h，采用双面加热双面保温的方式进行热处理。

3.11 使用专用热处理工装

针对管屏长拼缝进行热处理时，使用绑带环绕整个管屏横向一周的方法固定加热器及保温棉，无论管屏如何变形，绷带的周长不变，从而有效避免了管屏在受热时，加热器无法与管屏始终保持紧贴的现象。

3.12分段跳跃阶梯式热处理方式

对上述3.8.1中首次焊接完成的长拼缝奇数段焊缝(因长拼缝长度为13m，首次完成的焊缝共7m)的热处理，每个区域加热器覆盖的长度不大于1m，宽度方向不大于0.2m。升温时，由集箱向管屏末端方向依次升温，当第一条曲线开始保温时，对相隔一段焊缝的相邻焊缝开始升温，依次类推，当管屏末端焊缝开始保温时，对靠近集箱的第2段奇数段焊缝进行升温。并按此规律完成所有奇数段焊缝的热处理工作。

管屏升温过程中，应有专人对管屏的变形情况进行监护，如管屏局部出现明显变形时，应停止加热，以工艺要求的降温速度降温，记录发生变形的位置，找到管屏在热处理过程城中影响膨胀的因素，并予以消除，消除后重新恢复热处理。

3.13 热处理后的PT检查

焊缝热处理后，将焊缝清理干净，如发现裂纹等不允许出现的表露缺陷时，应对缺陷进行挖除补焊，补焊时，使用ER90S-B9焊丝进行补焊，补焊后使用2KW加热器进行双面加热双面保温的局部热处理。

3.14 起吊时刚性加固防变形

本项目的高温再热器管屏整体长度为25m，单屏重量为13564KG，起吊时，如没有有效的起吊加固措施，则在起吊时易使管屏收本省重量影响而出现较大的变形，从而影响管屏的整体平整度，本项目在管屏起吊前，在管屏上下安装了刚性足够的加固，避免了起吊时因管屏自重而引起管屏变形。

4. 总结

本项目的GR91高合金耐热钢膜式管屏的施工，在通过组合前、焊接及热处理过程中、起吊过程中的一系列保障措施下，有效保证了高合金耐热钢膜式管屏的焊接及热处理质量。同时也保证了管屏最终安装的平整度，为机组的稳定运行奠定了良好的基础，同时也可为今后同类钢材级别的焊接及热处理工作提供参考和借签。