（中国能源建设集团安徽电力建设第二工程有限公司合肥230000）
摘要：以华润电力（海丰）有限公司2×1000MW超超临界燃煤发电机组#2锅炉、国电蚌埠发电厂二期扩建工程2×660MW超超临界二次再热燃煤发电机组#3锅炉2个超超临界锅炉安装经验作为指导，针对水冷壁及包墙受热面管排密封扁钢焊接时易变形的特点，通过分析，采取一系列工程控制措施，使受热面管排焊接变形获得有效的控制，保证了锅炉的正常安装及安全运行。
关键词：超超临界锅炉；受热面；焊接变形；控制措施
ReasonAnalysisofandControlMeasurestoWeldingDeformationoftheHeatingSurfaceinUltraSupercriticalBoiler
ZhongZhenCongbinXuYongleSong
（ChinaEnergyEngineeringGroupAnhuiTheSecondPowerConstructionEngineeringCorporationLimited,Hefei230000,China）
Abstract：Astheprojectof2×1000MWultrasupercriticalboilerofHuarunelectricpower(Haifeng)CorporationLimitedandtheprojectof2×660MWdoublereheatingultrasupercriticalboilerofChinaGuodianBengbuPowerGenerationCorporationLimitedaguide,thisarticleanalysesthereasonsoftheWeldingDeformationofthewaterwalltubeandthewallenclosuresuperheater.AseriesoftechnicalmethodswhichareeffectivehavebeentakentocontroltheWeldingDeformationoftheHeatingSurface,anditensuresthenormalinstallationandsafeoperationoftheboiler.
Keywords:UltraSupercriticalBoiler;HeatingSurface;WeldingDeformation;ControlMeasures.
0引言
华润电力（海丰）有限公司2×1000MW超超临界燃煤发电机组#2锅炉为哈尔滨锅炉（集团）股份有限公司生产的超超临界参数变压运行垂直管水冷壁直流炉，单炉膛、一次中间再热、反向双切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构、π型、露天布置燃煤锅炉，锅炉型号为HG-3100/28.25-YM4。其炉膛水冷壁均采用内螺纹管垂直上升的管间加焊扁钢膜式水冷壁，管子规格为Φ28.6×5.8mm，管子节距为44.5mm，管子和密封扁钢材质为15CrMo，规格为δ6×15.9mm。后竖井包墙过热器管子规格为Φ38×10mm、Φ42×13mm、Φ38×7.5mm等等，管子节距133.5mm、85mm等等，扁钢、管体材质均为15CrMoG，扁钢规格为δ6×95.5mm、δ6×85mm等等。水冷壁及包墙管排密封扁钢焊接时选用R307焊条进行施焊。
国电蚌埠发电厂二期扩建工程2×660MW超超临界燃煤发电机组#3锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司生产的660MW等级高效超超临界参数、直流炉、二次中间再热，Π型布置、单炉膛、尾部三烟道；对冲燃烧、烟气调节挡板调温；平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构。锅炉型号为DG1785.49/32.45-Ⅱ14，水冷壁及后竖井包墙均为扁钢与管体焊接形成的膜式管壁。水冷壁上部为垂直水冷壁，中下部为螺旋水冷壁。上部水冷壁管子规格φ35×9mm，节距50.8mm，扁钢、管体材质均为12Cr1MoV，扁钢规格为δ9×15.8mm。螺旋段水冷壁管子均为内螺纹管规格φ38.1×7.5mm，扁钢、管体材质均为12Cr1MoV，管子节距为50.8mm，扁钢规格为δ6.4×12.7。后竖井包墙管子Φ45×12.5或Φ38.1×9等等，管子节距114.3mm，扁钢、管体材质均为12Cr1MoV，扁钢规格为δ9×69.3mm或δ9×76.2mm。水冷壁及包墙管排密封扁钢焊接时选用R317焊条进行施焊。
一般来说，超超临界锅炉受热面单件管排出厂时尺寸一般为2.5×10m左右，安装现场根据实际情况对数个单件管排进行组合，组合后组件一般在地面进行密封扁钢焊接，焊接工作集中在管排之间上下面焊口对接处以及管排之间侧面的对接处。由于受热面管排密封扁钢焊接较为特殊，若不采取适当的措施，极易产生焊接变形，使管排局部呈“W”或“M”波浪变形。在华润电力（海丰）有限公司2×1000MW超超临界燃煤发电机组#2锅炉受热面安装时，由于工期紧，未采取有效的焊接防变形措施，使部分水冷壁管排出现较为严重的焊接变形。
1产生焊接变形的原因分析
一般来说，金属加热时其内部会产生暂时应力和暂时变形，若金属在一定温度范围内均匀加热与均匀冷却，并且加热与冷却过程中都是自由膨胀与自由收缩不受外力阻碍时，金属加热产生的暂时应力与暂时变形是可以自身消除的。金属加热时膨胀受阻或冷却时收缩受阻，一方面有可能来自外力对金属的作用，一方面也有可能来自金属不均匀加热，使金属非加热区对加热区的产生了内部作用力。由于金属不能自由膨胀和收缩，导致其局部产生不可恢复的塑性变形，最终形成残余应力与残余变形，残余变形累积较大时，从金属外观上能明显观察出来，即产生了焊接变形。
超超临界锅炉受热面管排一般为管子与扁钢交错焊接的膜式管排，一般来说，管排管子材质为普通合金钢，如15CrMoG、12Cr1MoV等等，规格一般在φ20mm-φ40mm左右，厚度一般在5mm-10mm左右，管子间距一般在40mm-140mm左右，密封扁钢材质一般与管子材质相同，规格一般为厚6mm-10mm左右，宽12mm-90mm左右。由于超超临界锅炉密封扁钢焊接的特殊性，分析其可能产生焊接变形的原因如下。
（1）水冷壁及包墙密封扁钢材质均为合金钢，材质较高，管子间距小，扁钢厚且窄，焊接难度大。
（2）水冷壁及包墙管排在焊接密封扁钢时，由于密封焊缝集中，而且是双面满焊，管排局部摄入热量大，极易产生变形。
（3）由于管排在施工现场焊接密封扁钢时，不可能做到整体受热，所以必然是局部焊接，必然是不均匀受热，这种情况极易导致管排产生局部塑性变形。
（4）管排管子与扁钢膨胀系数不同，导致受热时膨胀量不同，冷却时收缩量也不同，容易产生参与应力与残余变形。
（5）施工现场部分情况下焊接参数选择不当，如使用的焊条规格大，焊接电流大，产生的焊接线能量高，容易产生变形。
（6）焊接施工顺序不当，导致管排焊接温度得不到有效控制。
（7）未采取刚性加固措施或者采取的刚性加固措施不合理，未能有效的抑制焊接变形的产生。
2焊接变形的控制措施
（1）搭设一个平整、稳定的管排组合架
水冷壁及包墙管排组合时，需要搭设一个组合架供地面施工时使用。组合架根据实际需要，一般搭设成网格状的形式，网格尺寸一般为2500×2500mm或3000×3000mm，组合架立柱高一般宜为1000mm至1200mm左右，立柱可以为300×300mm水泥立柱或者#14槽钢或I14工字钢等，网格平面一般可以采用#12槽钢作为主筋，#10槽钢开锁口与#12槽钢连接成整体。立柱垂直度要求控制在1mm至2mm误差范围内，邻近网格水平度控制在1mm至2mm误差范围内，水平度误差最大控制在5mm误差范围内。当然，根据施工现场实际情况，也可以搭设其他形式的组合架。总之，不管组合架是什么形式，目的只有一个，那就是使管排在组合时有一个平整、稳定、受力均匀的组合场地，避免管排扁钢密缝焊接时由于管排自身平整度原因使焊缝受到外力而产生不能恢复的塑性变形。
（2）焊前预热
管排密封焊接以后剩留一定的残余应力是难以避免的，但是采取适当的控制措施，可以使应力缩小，分布合理。预热就是一种有效的措施。焊接温差越大，焊缝加热膨胀和冷却收缩受到抑制的可能性就越大，从而产生残余应力的可能性也会越大，产生焊接变形的可能性也越大。通过预热的措施可以减小施焊前后的温差，以此来减小残余应力与变形产生的可能性。以国电蚌埠电厂二期扩建工程#3锅炉受热面密封扁钢为例，扁钢规格为δ9×15.8mm或δ9×69.3mm等等，根据规程规范，应采取预热温度为200℃至300℃。选择用氧气、乙炔火焰预热的方法来进行预热操作，尽量保证焊接过程中的温度在要求范围内，并使用专用测温笔对预热温度进行监测。
（3）焊后缓冷
焊后缓冷也可以降低产生焊接残余应力和变形的可能性。采用氧气、乙炔火焰缓冷的方法，按相关规程规范对焊缝温度冷却速度进行控制，用以消除焊接应力，进行应力释放，缓和焊后变形。
（4）合理选择焊接顺序
A.图1是电站燃煤锅炉的受热面管排的典型形式。焊接密封扁钢时，应综合分段焊、跳焊、花焊、对称焊的方法，灵活运用，分段焊接时每段长度一般控制在150mm至250mm之间，对称焊接应根据情况尽量做到双人上下对称施焊。总之就是尽量降低管排局部的焊接温度峰值，以降低产生残余应力与残余变形的可能。具体如图所示，对于焊口区域的割缝，焊接顺序按①→②→③→④→⑤→⑥……的顺序施焊，对于焊口区域的塞缝，焊接顺序按A→B→C→D→E……的顺序施焊。
图1受热面管排密封扁钢焊接顺序示意图
Fig.1Thesequenceofflatweldingofheatingsurface
B.图2是单条割缝与塞缝焊接示意图，焊接顺序按①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧的顺序施焊。
图2受热面管排扁钢塞缝密封焊接顺序示意图
Fig.2Thesequenceofshortflatweldingofheatingsurface
（1）合理安排焊接人员进行焊接作业。
在施工现场应当根据情况合理安排焊工进行焊接作业，不能为了一味地追求施工进度，增加焊工数量密集施焊，这样势必会使管排产生变形。以国电蚌埠电厂二期扩建工程#3锅炉水冷壁侧墙密封扁钢焊接为例，水冷壁上部侧墙共305根管，宽度为15456.8mm，可以将其分成3至4块区域，分6至8个焊工上下对称焊接，经实际检验，焊接后管排平整度情况良好，这种焊工分布较为合理。
（2）合理选择焊接工艺
以国电蚌埠电厂二期扩建工程#3锅炉为例，受热面管排材质为12Cr1MoV，根据规程规范，密封扁钢焊接时，采用焊条为φ3.2mm的R317焊条，焊接电流80A至120A之间，电压在20V至26V之间，焊接速度在40mm/min至90mm/min之间。
（3）适当控制焊接线能量
在焊接作业时，焊接电流越大，电弧电压越高，那么焊接电弧发出的热量也越高。单位时间内单位长度的工件距离上，焊接电弧输送给工件的热量称为焊接线能量，表达式为如下，
其中，q为线能量，U为焊接电弧电压，I为焊接电流，η为焊接时输送给工件的热效率，v为焊接速度。焊接时应根据相关规定选取焊接电流、电弧电压和焊接速度，不得超电流进行管排密封扁钢的焊接作业。
（1）采取合理的刚性加固方案。
受热面管排焊接密封扁钢时，宜对焊缝附近的管排进行加固处理，以减小管排变形的可能性。如图3，在焊口两侧管排上部，采用H500至H800左右的刚性梁对管排进行加固，利用型钢的自重限制管排的变形，在管排下部，采用螺旋千斤顶抵住I16工字钢或者#14槽钢在管排下口对管排进行加固，每隔1米至2米左右布置一个千斤顶，调节千斤顶的幅度使管排受力管口呈一条直线。
图3受热面管排密封扁钢焊接时管排刚性加固方案
Fig.3TheReinforcementschemeofheatingsurfacewhileflatwelding
（1）控制割缝与塞块质量。
管排割缝在恢复前以及密封塞块在安装前，应清除铁锈与油漆，根据不同位置的尺寸，加工成相应大小的扁钢，使其与管子之间的间隙控制在2mm至3mm左右，力求平整、紧凑，保证塞缝的质量。管排密封扁钢安装时，其横截面中心线应与管子横截面中心成重合，这样可使双面焊缝达到对称布置，有利于控制变形。
（2）高空焊接密封扁钢。
在高空焊接密封扁钢，能利用管排自重，限制焊接变形的产生。但是此种方法虽然控制了受热面的变形问题，但是增加了高空作业量与施工风险，不推荐采用。
（3）加强焊接技术交底
加强对焊接技术人员、焊接质检员和焊接作业人员的技术交底，使其熟知管排防变形措施的具体内容，焊接技术人员和焊接质检员应对防变形措施的实施情况进行监督与奖惩。
3受热面管排变形后矫正措施
对于焊后管排局部变形的情况，可根据变形量轻重采取不同的修正措施。
（1）对于焊后管排变形量轻的，可先在变形区域开适当插板孔，穿套钢丝绳、钢管或槽钢等，利用手拉葫芦向变形拱向反向拉直，进行冷校直。待修正后取下加固，恢复临时开孔。
（2）当变形量大时，可以采用#12槽钢或I14工字钢制作门架加设千斤顶进行压制。此种方法经过不同现场实践检测，矫正效果良好。
具体方法如下：
A．将变形区域扁钢重新开缝，开缝范围宜稍大于变形范围。
B．将制作好的门架架设在变形区域管排上，利用千斤顶进行单根或多根顶压。
C．顶压至消除变形后，将开缝扁钢重新焊接完成即可。焊接工艺遵循正式焊接工艺，焊接完成前不得撤销加固门架。
4控制措施实施后的成效
在吸取了华润电力（海丰）有限公司2×1000MW超超临界燃煤发电机组#2锅炉受热面安装初期的经验教训之后，我们采取了控制管排焊接变形的上述几项措施，使受热面安装中后期以及国电蚌埠发电厂二期扩建工程2×660MW超超临界燃煤发电机组#3锅炉受热面安装时管排扁钢密封焊接工艺优良，管排焊接变形控制良好，外形美观，平整度符合要求，顺利通过了监理方及业主方的质量检查验收。超超临界锅炉安装工艺的不断发展，对锅炉受热面安装工艺提出了更高的要求，控制好受热面密封扁钢的焊接变形，对提高受热面的安装工艺水平具有重要意义。
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