专栏：019期
在役火电厂大型重要设备构件绿色焊接修复关键技术研究与工程应用
本文选自第八届（2016年度）
全国电力职工技术成果奖
该文荣获一等奖
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项目完成人信息
项目完成人：王淦刚、陈忠兵、孙志强、朱平、杨佳
所在单位：苏州热工研究院有限公司
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项目针对问题现状
电站大型重要设备构件如锅炉汽包、集箱、汽轮机汽缸、叶轮、除氧器等，在温度、压力、介质等服役环境因素的作用下，经过一定周期的服役，难免会出现材料老化损伤甚至变质，母材特别是焊接接头的组织、成分、力学的不均匀及不连续性，在工作应力、焊接残余应力及疲劳应力的作用下会出现裂纹等缺陷，尤其是贯穿性缺陷，会导致设备的泄漏甚至爆炸，带来重大的人员或财产损失。
为确保机组的安全运行，当检测出设备构件超标缺陷（尤指裂纹如下照片），发电企业将面临设备更换或修复的选择。针对电站大型重要设备大面积缺陷的早期失效的更多选用更换设备构件；也有采用返回制造厂修复或更多拆除安装状态，在现场地面焊接修复方式，但这种情况将带来检修工期长、材料、能源消耗大、费用高；对大型设备构件在安装位置，采用先进的焊接工艺，实现低耗、节能、快速的绿色修复技术显得非常必要和重要。
通常低合金钢、Cr-Mo耐热钢及马氏体钢等设备构件大多采用同质焊材的焊前预热及焊后高温回火消应力焊接修复工艺；部分设备构件早期失效采用异种金属焊材的不预热，免焊后热处理的冷焊修复工艺；国外部分设备采用自动焊修复技术，而国内更多采用手工焊修复技术；国外不仅关注修复后的接头质量性能，而且开展修复后的安全性能评价；国内更多关注修复后的质量性能检测，而对全面系统的运行安全性评价不够。
注：照片第一排锅炉集箱角焊缝裂纹（左）、汽轮机叶片裂纹（中）、除氧器内壁裂纹（右）；第二排汽轮机汽缸裂纹（左）、锅炉汽包内壁角焊缝裂纹（中）、主汽阀前异种钢焊缝裂纹（右）。
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项目原理说明
（1）本项目针对焊接修复特殊工艺的“黑箱”特点，将“系统工程”的新思路运用于大型设备的焊接修复，即全面系统的掌握失效机理与根本原因，利用原材料、设备制造、安装、维修、运行等技术经济信息全面优化修复方案，采用针对性更强、技术更先进绿色节能环保的全方位焊接工艺措施，确保修复焊接接头的质量和性能。
（2）大厚壁汽包裂纹内壁裂纹的焊接修复及热处理加热工艺并控制应力变形是关键技术，本项目内壁采用框架辐射电阻加热器、外壁采用履带式加热片分区加热控温，过程中温恒温消应力，严控升温速度，达到了控制汽包温差防止变形的重大问题；采用理论计算及现场变形监测，有效控制汽包变形；
（3）采用超低氢低强度高韧性焊接材料以期获得抗裂性更好的高韧性焊缝金属；采用焊后中温+高温回火消应力新技术，有效解决Cr-Mo-V该类钢的再热裂纹问题；
(4)采用低温预热、免做焊后热处理的冷焊工艺，并辅以堆焊镍基过渡层、镶焊碳钢板，降低焊接熔敷量，对称焊等技术有效解决了Cr-Mo耐热钢厚壁铸件大面积穿透性裂纹补焊过程的开裂及剥离问题；
(5)设计专用加热装置及专用锤头快速锤击消应力，有效解决了大厚壁构件特别是冷焊的残余应力大而导致裂纹及变形等难点问题；
(6)进行焊前焊接残余应力测试及模拟计算，为更富针对性的焊接修复工艺规范提供了降低应力的依据；
(7)采用手工焊技术实现大型设备构件不需拆卸在原安装位置的焊接修复，解决了检修工期长，重新安装定位难、变形等发电企业技术经济难题；
(8)采用系统全面的焊修后构件的安全评估，为电站设备寿命预测、优化检修、金属监督、避免非计划停机及恶性事故发生，确保机组安全经济可靠运行，提高发电企业经济及社会效益奠定了基础。
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项目实施效果说明
（1）实用化程度
本项目以解决现场实际关键技术问题为目的，其实用化程度颇高。利用项目对各重大设备构件失效机理及根本原因分析并进行经验反馈，为防止同类问题产生及分析提供支持；其关键技术在电厂的安装位置实现设备构件的修复再制造，不仅解决了诸多重新拆装的技术问题，同时节约了大量资源消耗。大厚壁汽包修复利用内外壁不同加热工艺关键技术不仅解决了温度的均匀技术难点，而且有利于保证汽包修复过程的应力与变形可控等设备的稳定性问题；采用中温+高温回火处理有效防止Cr-Mo-V钢产生再热裂纹问题，冷焊修复对难以进行焊后热处理的大型铸钢件有很好的实用性。设备修复后安全性评估可用于同类设备的寿命评估、优化检修及维修策略。本项目不仅具有解决现场关键技术的实用性，而且具有降低消耗、节约资源、提高经济和社会效益的实用性。
（2）应用范围
本项目主要用于常规火电厂大型主要设备低合金钢、耐热钢部件的现场安装位置的失效焊接修复，而且也可用于核电厂常规岛重大设备同类部件的修复；同时也可用于石油化工、各种工程机械设备早期失效的焊接修复，实现装备在原安装位置的现场“绿色再制造”。
（3）经济及社会效益
与国外修复比较器修复设备投入可以节约50%～60%。采用设备原安装位置就地焊接修复减少拆装消耗80%～90%。采用设备修复再制造恢复其设备功能性能，避免更换新设备，可节省总投入90%～95%。由于采用焊接修复的绿色再制造技术，使材料、能源、机械、人工等降低到最小程度，从而实现了低耗、节能、绿色、环保的社会效益；确保了设备安全可靠运行，最大程度降低了安全风险。由于采用焊接修复缩短了检修工期，实现了发电企业新增发电量，不仅增加企业的经济效益，而且为社会提供了急需的电力资源，促进了社会和谐。
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项目推广前景描述
本项目的科技成果近年来得到了良好的推广应用。不仅在本项目中应用于大唐马头电厂汽包修复、淮北电厂气缸修复、国华盘山电厂主汽阀修复、常熟电厂转子叶片修复，而且推广应用于广西来宾电厂汽包修复、大唐石门电厂汽包修复、国华宁海电厂气缸及叶片修复、蒲城电厂转子叶片修复，国华绥中、伊敏、余姚电厂主汽阀修复等项目。同时将Cr-Mo-V钢防止再热裂纹产生的低匹配焊材及中温+高温回火技术推广应用于12Cr1MoVG及15Cr1Mo1VG（俄罗斯钢号15X1M1Φ）管道、集箱、锅炉部件等的焊接修复，获得颇高的技术经济效益。
由于该项目具有技术先进、节能环保、低耗高效、恢复或提高设备构件给您和性能的绿色再制造等优势，可推广应用于火电站大型重要设备的汽包、汽缸、叶轮叶片、管道、集箱、等构件的安装位置的缺陷修复，因此不仅可在电力行业全面推广，而且可以在其他行业的机械设备缺陷修复中推广应用，必将带来颇大的市场和经济社会效益的前景。
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创新点、效果归纳
1.创新点
（1）采用现场勘查、取样试验、宏观微观、经验反馈、理论分析、模拟计算、理化性能、运行环境、材质评估、应力测试、技术资料分析等技术集成研究各设备构件的失效机理，分析其产生缺陷的根本原因，为修复技术方案制定及防治同类设备早期失效提供科学依据。
（2）采用超低氢、低配、高韧性的焊接材料，中温+高温回火处理有效防止Cr-Mo-V钢的产生再热裂纹问题。
（3）对难以进行焊后热处理的大型铸钢件，采用镍基焊接材料、冷焊技术现场安装位置修复大面积贯穿性裂纹，实现低耗、节能、环保、绿色再制造。
（4）采用内外壁不同加热方法，解决了大厚壁构件预热及焊后热处理技术关键，有效控制设备修复的应力和变形，确保了设备构件的尺寸稳定性。
（5）集成焊接工艺及接头性能试验数据，检测修复焊接接头的金相组织、力学性能（如硬度等）、无损检测、焊接残余应力的测试及计算的结果，结合材料评价、运行的工况等对焊接修复后的构件接头进行安全可靠性评估，为优化维修、寿命评估及机组安全运行提供技术依据。
2.效果归纳
本项目采用系统全面的检测试验、进行设备构件早期失效的根本原因分析，采取正对性更强的低耗、节能、高效、环保、绿色的焊接技术，对电站大型重要设备构件的早期失效实现在安装位置的缺陷修复的再制造，恢复或提高其设备构件的功能和性能，修复后进行设备构件的安全可靠性及寿命评估，从根本上解决了在役电站大型设备构件在不返厂情况下安装位置的修复关键问题，具有颇高的技术、经济和社会效益。
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