1、概述

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

內蒙古岱海電廠一期1號機組共有低壓、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。管板為復合板,材質為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,進行了鈦材的焊接模擬試驗,在凝汽器冷凝管焊接中成功應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、導熱系數小、耐熱性能好等特點,是發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,必須做好焊前的準備工作,并對焊接保護氣體進行嚴格的純度檢驗,最大限度減少保護氣體中水分含量。

2.1　耐腐蝕性能好

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

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

2.2　導熱系數小

金屬鈦的導熱系數小,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,使得鈦非常穩定。但是在溫度升高過程中,其對氧、氫、氮的吸收能力不斷加強。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氫化合物。

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,在焊接區域形成原電池,腐蝕鈦金屬表面氧化膜,給氫留下進入機會從而產生氫脆。

由于鈦材熔點高,熱容量大,導熱性能差,焊縫和熱影響區在焊接熱循環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會使晶粒更加粗大,所以應采用小電流工藝參數,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行,首先進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中少量應用。焊接模擬試驗選擇具有凝汽器冷凝管焊接經驗的焊工,在與現場同位置要求和相同規格的管板焊接試樣上進行。

3.2　焊接缺陷分析

初次焊接模擬試驗中,不同程度出現了氣孔和冷裂紋。

焊后冷裂紋產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力過大,再加上焊接殘余應力的作用降低了焊縫中氫的含量。氣孔產生原因為：

a.焊接工藝參數的影響；

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　焊接技術參數的確定

經過分析,采用表1中的焊接工藝參數,并對保護氣體以及待焊母材表面和焊材做了相應的處理。依據焊接設備的結構和焊接用保護氣體的供給機構確定起弧和收弧位置,見圖1。設計考慮到鈦的導熱率低,冷卻緩慢,需要保護的高溫焊接區較長,因此留有比較長的滯后氣保護時間。從11點位置起弧,順時針旋轉焊接一周后在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,準備第2次焊接。模擬試驗取得了良好的結果。

4、凝汽器鈦管焊接的實際應用

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行穿管和脹管工作,這一工序的嚴格控制是做好密封焊接的前提。經過穿、脹、切及細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.采用適當的預熱,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.焊接設備采用4臺WZM7 R150型管板自動焊機,1臺WSM 400手工脈沖鎢極氬弧焊機。

管板自動焊機用來承擔主要的焊接工作,在工作過程中自動焊機送絲機構為關閉狀態。手工脈沖鎢極氬弧焊機用于焊接后的缺陷修補工作。

d.焊工應經過焊前培訓,具有一定經驗。

e.采用焊接模擬試驗的參數值,嚴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,過程中隨時修補并及時做著色檢驗。

4.2　焊接檢驗結果分析

經過嚴格的過程控制,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果見表2,鈦管密封焊接外觀成型檢驗結果見表3。

焊縫和熱影響區的顏色是焊接保護效果的標志。焊縫呈銀白色表示焊接保護最好,金黃色表示焊接保護良好,紫色表示低溫氧化并有輕度表面污染,藍色為高溫氧化,焊接表面污染嚴重,影響焊接接頭的性能。灰色、灰白以及黃白色為保護不好污染嚴重。表2結果顯示,96.6%的焊縫焊接保護達到了最好。對于酸洗后表面顏色呈藍色、灰色、灰白以及黃白色的焊接接頭還需要做必要的修復或修補。

表 3結果顯示,99.8%的焊接接頭成型良好,出現缺陷焊縫占焊縫總數的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行有關,建議延長焊接預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、結束語

根據鈦材的性能,進行了鈦管管板焊接模擬試驗,并在實際焊接工藝中成功應用,分析應用結果認為：隨著現代化電站亞臨界、超臨界機組的普遍建設,鈦管優良的耐腐蝕性能是其在火力發電廠凝汽器冷凝管應用的前提。內蒙古岱海電廠汽輪機組凝汽器鈦管管板密封焊接達到了高效、優質,使凝汽器冷凝管密封性加強,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組越來越多,上述成功經驗可供參考。

參考文獻：

[1]　吳忠憲,張桂紅.鈦管道及其焊接[J].石油化工設備技術,2003,(1).

[2]　GB50236-1998,現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范[S].

[3]　中國機械工程學會焊接學會,焊接手冊(二)[M].北京：機械工業出版社,2001.

相關鏈接