火力发电厂凝汽器钛管的焊接工艺及应用

1、概述

我国火力发电厂汽轮机组中凝汽器冷凝管多采用铜管或不锈钢管,内蒙古岱海电厂采用了钛管作为凝汽器冷凝管。

内蒙古岱海电厂一期1号机组共有低压、高压2台凝汽器,每台凝汽器有4块管板,每块管板上有9729个管孔。管板为复合板,材质为SA516Gr70+SB265Gr1。每台凝汽器有φ25mm×0.5mm 钛管18096根，φ5mm×0.7mm 钛管1362根，每根管长11208mm。由于钛管两端均需焊接,总计焊口77832道。通过分析钛材的焊接特性,进行了钛材的焊接模拟试验,在凝汽器冷凝管焊接中成功应用了钛管管板焊接工艺。

2、钛材的焊接性分析

钛材具有耐腐蚀、导热系数小、耐热性能好等特点,是发电厂凝汽器冷凝管的较好选择材料；同时,钛材具有较高的化学活性,这使其对焊缝以及焊材表面的污物十分敏感,必须做好焊前的准备工作,并对焊接保护气体进行严格的纯度检验,最大限度减少保护气体中水分含量。

2.1　耐腐蚀性能好

钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。

这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。钛的介质温度在315 ℃以下,其氧化膜始终保持这一特性。

2.2　导热系数小

金属钛的导热系数小,是低碳钢的1/5,铜的1/25。

2.3　耐热性能好

新型钛合金可在600℃ 或更高的温度下长期使用。

2.4　钛材的焊接特性

在常温下,由于表面钝化层的致密性极强,使得钛非常稳定。但是在温度升高过程中,其对氧、氢、氮的吸收能力不断加强。钛在大气中,250 ℃开始吸收氢,400 ℃开始吸收氧,600 ℃开始吸收氮。这些元素被钛吸收后会明显的提高钛的硬度,产生脆化,从而影响钛金属的使用性能。所以在焊接过程中,必须采取有效的保护措施,以免受到空气污染和受到氧和氮的作用。焊接前必须确保被焊金属表面无油脂或其他碳氢化合物。

另外,铁对钛的影响很大,铁离子在钛中容易形成钛铁化合物,在焊接区域形成原电池,腐蚀钛金属表面氧化膜,给氢留下进入机会从而产生氢脆。

由于钛材熔点高,热容量大,导热性能差,焊缝和热影响区在焊接热循环的作用下晶粒容易长大,从而使焊接接头的塑性和韧性下降。如果采用较大的工艺参数会使晶粒更加粗大,所以应采用小电流工艺参数,并控制层间温度。

3、焊接模拟试验

为保证钛管焊接的顺利进行,首先进行了钛管的焊接模拟试验。

3.1　焊接条件

凝汽器冷凝管管板密封焊接属于不填丝焊接,焊材只在焊接后缺陷的修补中少量应用。焊接模拟试验选择具有凝汽器冷凝管焊接经验的焊工,在与现场同位置要求和相同规格的管板焊接试样上进行。

3.2　焊接缺陷分析

初次焊接模拟试验中,不同程度出现了气孔和冷裂纹。

焊后冷裂纹产生的主要原因是氢从固溶体中析出形成TiH2,使金属脆化并引起局部组织应力过大,再加上焊接残余应力的作用降低了焊缝中氢的含量。气孔产生原因为：

a.焊接工艺参数的影响；

b.待焊金属表面的清洁度不够、待焊金属表面以及保护气体中水分含量过高；

c.焊材表面的清洁度不够。

3.3　焊接技术参数的确定

经过分析,采用表1中的焊接工艺参数,并对保护气体以及待焊母材表面和焊材做了相应的处理。依据焊接设备的结构和焊接用保护气体的供给机构确定起弧和收弧位置,见图1。设计考虑到钛的导热率低,冷却缓慢,需要保护的高温焊接区较长,因此留有比较长的滞后气保护时间。从11点位置起弧,顺时针旋转焊接一周后在12点位置开始衰减,在3点位置收弧,钨极自动返回到11点起弧位置,准备第2次焊接。模拟试验取得了良好的结果。

4、凝汽器钛管焊接的实际应用

4.1　焊接过程控制

a.在凝汽器冷凝管管板密封焊接之前要进行穿管和胀管工作,这一工序的严格控制是做好密封焊接的前提。经过穿、胀、切及细钢丝刷清理焊缝表面之后,还须使用酒精或丙酮将油脂等污物彻底清洗干净。

b.采用适当的预热,保证待焊部位无水分残留。焊接时注意保持氩气畅通、压力正常,并有专人看管。

c.焊接设备采用4台WZM7 R150型管板自动焊机,1台WSM 400手工脉冲钨极氩弧焊机。

管板自动焊机用来承担主要的焊接工作,在工作过程中自动焊机送丝机构为关闭状态。手工脉冲钨极氩弧焊机用于焊接后的缺陷修补工作。

d.焊工应经过焊前培训,具有一定经验。

e.采用焊接模拟试验的参数值,严格控制焊接电流和焊接顺序(采用Z 字型焊接顺序)。在焊接前保证焊接用保护气体(氩气)纯度。确保待焊部位清洁,采取必要措施防止灰尘及铁离子污染。注意焊后的成品保护,过程中随时修补并及时做着色检验。

4.2　焊接检验结果分析

经过严格的过程控制,凝汽器冷凝管管板密封焊接工作历时28d全部完成。焊接后进行外观自检和着色检验,检验比例为100%。钛管密封焊接外观色泽检验结果见表2,钛管密封焊接外观成型检验结果见表3。

焊缝和热影响区的颜色是焊接保护效果的标志。焊缝呈银白色表示焊接保护最好,金黄色表示焊接保护良好,紫色表示低温氧化并有轻度表面污染,蓝色为高温氧化,焊接表面污染严重,影响焊接接头的性能。灰色、灰白以及黄白色为保护不好污染严重。表2结果显示,96.6%的焊缝焊接保护达到了最好。对于酸洗后表面颜色呈蓝色、灰色、灰白以及黄白色的焊接接头还需要做必要的修复或修补。

表 3结果显示,99.8%的焊接接头成型良好,出现缺陷焊缝占焊缝总数的0.2%,缺陷主要为气孔、过烧、未熔合,这与焊接前的清理工作、焊接人员焊接工艺的执行有关,建议延长焊接预送气时间和滞后气时间。

另外,钛管密封焊接着色检验合格焊缝77676个,不合格156个,一次着色合格率99.8%。

5、结束语

根据钛材的性能,进行了钛管管板焊接模拟试验,并在实际焊接工艺中成功应用,分析应用结果认为：随着现代化电站亚临界、超临界机组的普遍建设,钛管优良的耐腐蚀性能是其在火力发电厂凝汽器冷凝管应用的前提。内蒙古岱海电厂汽轮机组凝汽器钛管管板密封焊接达到了高效、优质,使凝汽器冷凝管密封性加强,同时延长了凝汽器冷凝管的使用寿命。目前采用钛管作为凝汽器冷凝管的大机组越来越多,上述成功经验可供参考。

参考文献：

[1]　吴忠宪,张桂红.钛管道及其焊接[J].石油化工设备技术,2003,(1).

[2]　GB50236-1998,现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范[S].

[3]　中国机械工程学会焊接学会,焊接手册(二)[M].北京：机械工业出版社,2001.

相关链接