1、概述

我國火力發(fā)電廠汽輪機(jī)組中凝汽器冷凝管多采用銅管或不銹鋼管,內(nèi)蒙古岱海電廠采用了鈦管作為凝汽器冷凝管。

內(nèi)蒙古岱海電廠一期1號機(jī)組共有低壓、高壓2臺凝汽器,每臺凝汽器有4塊管板,每塊管板上有9729個管孔。管板為復(fù)合板,材質(zhì)為SA516Gr70+SB265Gr1。每臺凝汽器有φ25mm×0.5mm 鈦管18096根，φ5mm×0.7mm 鈦管1362根，每根管長11208mm。由于鈦管兩端均需焊接,總計焊口77832道。通過分析鈦材的焊接特性,進(jìn)行了鈦材的焊接模擬試驗,在凝汽器冷凝管焊接中成功應(yīng)用了鈦管管板焊接工藝。

2、鈦材的焊接性分析

鈦材具有耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐熱性能好等特點,是發(fā)電廠凝汽器冷凝管的較好選擇材料；同時,鈦材具有較高的化學(xué)活性,這使其對焊縫以及焊材表面的污物十分敏感,必須做好焊前的準(zhǔn)備工作,并對焊接保護(hù)氣體進(jìn)行嚴(yán)格的純度檢驗,最大限度減少保護(hù)氣體中水分含量。

2.1　耐腐蝕性能好

鈦是一種非?；顫姷慕饘?其平衡電位很低,在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定,如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。這是因為鈦和氧有很大的親和力,在空氣中或含氧的介質(zhì)中,鈦表面生成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜,保護(hù)了鈦基體不被腐蝕。即使由于機(jī)械磨損也會很快自愈或重新再生。

這表明了鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。鈦的介質(zhì)溫度在315 ℃以下,其氧化膜始終保持這一特性。

2.2　導(dǎo)熱系數(shù)小

金屬鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小,是低碳鋼的1/5,銅的1/25。

2.3　耐熱性能好

新型鈦合金可在600℃ 或更高的溫度下長期使用。

2.4　鈦材的焊接特性

在常溫下,由于表面鈍化層的致密性極強(qiáng),使得鈦非常穩(wěn)定。但是在溫度升高過程中,其對氧、氫、氮的吸收能力不斷加強(qiáng)。鈦在大氣中,250 ℃開始吸收氫,400 ℃開始吸收氧,600 ℃開始吸收氮。這些元素被鈦吸收后會明顯的提高鈦的硬度,產(chǎn)生脆化,從而影響鈦金屬的使用性能。所以在焊接過程中,必須采取有效的保護(hù)措施,以免受到空氣污染和受到氧和氮的作用。焊接前必須確保被焊金屬表面無油脂或其他碳?xì)浠衔铩?/p>

另外,鐵對鈦的影響很大,鐵離子在鈦中容易形成鈦鐵化合物,在焊接區(qū)域形成原電池,腐蝕鈦金屬表面氧化膜,給氫留下進(jìn)入機(jī)會從而產(chǎn)生氫脆。

由于鈦材熔點高,熱容量大,導(dǎo)熱性能差,焊縫和熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下晶粒容易長大,從而使焊接接頭的塑性和韌性下降。如果采用較大的工藝參數(shù)會使晶粒更加粗大,所以應(yīng)采用小電流工藝參數(shù),并控制層間溫度。

3、焊接模擬試驗

為保證鈦管焊接的順利進(jìn)行,首先進(jìn)行了鈦管的焊接模擬試驗。

3.1　焊接條件

凝汽器冷凝管管板密封焊接屬于不填絲焊接,焊材只在焊接后缺陷的修補(bǔ)中少量應(yīng)用。焊接模擬試驗選擇具有凝汽器冷凝管焊接經(jīng)驗的焊工,在與現(xiàn)場同位置要求和相同規(guī)格的管板焊接試樣上進(jìn)行。

3.2　焊接缺陷分析

初次焊接模擬試驗中,不同程度出現(xiàn)了氣孔和冷裂紋。

焊后冷裂紋產(chǎn)生的主要原因是氫從固溶體中析出形成TiH2,使金屬脆化并引起局部組織應(yīng)力過大,再加上焊接殘余應(yīng)力的作用降低了焊縫中氫的含量。氣孔產(chǎn)生原因為：

a.焊接工藝參數(shù)的影響；

b.待焊金屬表面的清潔度不夠、待焊金屬表面以及保護(hù)氣體中水分含量過高；

c.焊材表面的清潔度不夠。

3.3　焊接技術(shù)參數(shù)的確定

經(jīng)過分析,采用表1中的焊接工藝參數(shù),并對保護(hù)氣體以及待焊母材表面和焊材做了相應(yīng)的處理。依據(jù)焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)和焊接用保護(hù)氣體的供給機(jī)構(gòu)確定起弧和收弧位置,見圖1。設(shè)計考慮到鈦的導(dǎo)熱率低,冷卻緩慢,需要保護(hù)的高溫焊接區(qū)較長,因此留有比較長的滯后氣保護(hù)時間。從11點位置起弧,順時針旋轉(zhuǎn)焊接一周后在12點位置開始衰減,在3點位置收弧,鎢極自動返回到11點起弧位置,準(zhǔn)備第2次焊接。模擬試驗取得了良好的結(jié)果。

4、凝汽器鈦管焊接的實際應(yīng)用

4.1　焊接過程控制

a.在凝汽器冷凝管管板密封焊接之前要進(jìn)行穿管和脹管工作,這一工序的嚴(yán)格控制是做好密封焊接的前提。經(jīng)過穿、脹、切及細(xì)鋼絲刷清理焊縫表面之后,還須使用酒精或丙酮將油脂等污物徹底清洗干凈。

b.采用適當(dāng)?shù)念A(yù)熱,保證待焊部位無水分殘留。焊接時注意保持氬氣暢通、壓力正常,并有專人看管。

c.焊接設(shè)備采用4臺WZM7 R150型管板自動焊機(jī),1臺WSM 400手工脈沖鎢極氬弧焊機(jī)。

管板自動焊機(jī)用來承擔(dān)主要的焊接工作,在工作過程中自動焊機(jī)送絲機(jī)構(gòu)為關(guān)閉狀態(tài)。手工脈沖鎢極氬弧焊機(jī)用于焊接后的缺陷修補(bǔ)工作。

d.焊工應(yīng)經(jīng)過焊前培訓(xùn),具有一定經(jīng)驗。

e.采用焊接模擬試驗的參數(shù)值,嚴(yán)格控制焊接電流和焊接順序(采用Z 字型焊接順序)。在焊接前保證焊接用保護(hù)氣體(氬氣)純度。確保待焊部位清潔,采取必要措施防止灰塵及鐵離子污染。注意焊后的成品保護(hù),過程中隨時修補(bǔ)并及時做著色檢驗。

4.2　焊接檢驗結(jié)果分析

經(jīng)過嚴(yán)格的過程控制,凝汽器冷凝管管板密封焊接工作歷時28d全部完成。焊接后進(jìn)行外觀自檢和著色檢驗,檢驗比例為100%。鈦管密封焊接外觀色澤檢驗結(jié)果見表2,鈦管密封焊接外觀成型檢驗結(jié)果見表3。

焊縫和熱影響區(qū)的顏色是焊接保護(hù)效果的標(biāo)志。焊縫呈銀白色表示焊接保護(hù)最好,金黃色表示焊接保護(hù)良好,紫色表示低溫氧化并有輕度表面污染,藍(lán)色為高溫氧化,焊接表面污染嚴(yán)重,影響焊接接頭的性能?；疑⒒野滓约包S白色為保護(hù)不好污染嚴(yán)重。表2結(jié)果顯示,96.6%的焊縫焊接保護(hù)達(dá)到了最好。對于酸洗后表面顏色呈藍(lán)色、灰色、灰白以及黃白色的焊接接頭還需要做必要的修復(fù)或修補(bǔ)。

表 3結(jié)果顯示,99.8%的焊接接頭成型良好,出現(xiàn)缺陷焊縫占焊縫總數(shù)的0.2%,缺陷主要為氣孔、過燒、未熔合,這與焊接前的清理工作、焊接人員焊接工藝的執(zhí)行有關(guān),建議延長焊接預(yù)送氣時間和滯后氣時間。

另外,鈦管密封焊接著色檢驗合格焊縫77676個,不合格156個,一次著色合格率99.8%。

5、結(jié)束語

根據(jù)鈦材的性能,進(jìn)行了鈦管管板焊接模擬試驗,并在實際焊接工藝中成功應(yīng)用,分析應(yīng)用結(jié)果認(rèn)為：隨著現(xiàn)代化電站亞臨界、超臨界機(jī)組的普遍建設(shè),鈦管優(yōu)良的耐腐蝕性能是其在火力發(fā)電廠凝汽器冷凝管應(yīng)用的前提。內(nèi)蒙古岱海電廠汽輪機(jī)組凝汽器鈦管管板密封焊接達(dá)到了高效、優(yōu)質(zhì),使凝汽器冷凝管密封性加強(qiáng),同時延長了凝汽器冷凝管的使用壽命。目前采用鈦管作為凝汽器冷凝管的大機(jī)組越來越多,上述成功經(jīng)驗可供參考。

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