超超临界机组制造技术探

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超超临界机组制造技术的探讨1・国外发展情况1」国内锅炉厂制造超超临界机组的能力与技术机组从80年代初开始，在国家统一组织下，国内几家人型锅炉厂引进了美国CE公司的制造技术，采用引进、消化、吸收国外先进技术,与自主开发、创新、优化相结合的方针，在较短的时间内顺利实现了300MW、600MW亚临界锅炉的国产化研制，并且基本上达到了国际同类机组的先进水平。我国已经掌握了大容量锅炉的设计、制造技术，在此过程中，几家大锅炉厂相继对装备和制造工艺进行了大规模技术改造和完善，经过多年來与国外公司的交流、合作和培训，人员的素质有了很大提高，为高效超超临界火电设备的设计、制造在人员和设备方面奠定了雄厚的基础。从90年代开始国内主要锅炉制造厂也一直在积极做好超临界锅炉开发研制的前期准备工作。1.2影响超超临界锅炉机组制造的难点分析对国内各锅炉厂来说，超超临界锅炉以炉外分离器替代了大型汽包，各受热面的加工和亚临界机组十分札1似，难度并不是很大，美国是世界上开发超超临界机组较早的国家但在发展初期，由于在蒸汽参数的选择上超越了当时冶金工业的发展水平，难以提供能够满足31Mpa.621/566/566°C和35Mpa.649/566/566°C这样高的参数机组所需的钢材，过分依赖于奥氏体不锈钢，成本也较高，在运行过程中事 故频繁、可用率低，在五十年代西徳投运的超超临界机组也实现了许多奥氏体不锈钢裂纹和泄漏事故。从国外超临界锅炉发展的历程看，出现上述问题与超临界压力或两次再热本身并无直接关系，在设计和制造技术上基本成熟，因此，超超临界锅炉发展的关键是开发出具有良好热强性，工艺性能良好的高温材料，虽然目前国内锅炉耐热钢的开发还有一定差距，尚不能完全满足超超临界锅炉国产化的耍求，但在国外，已成功开发EM12、X20CrMoV121.HCM2S,新一代9%〜12%Cr耐热钢细晶粒TP347等性能优良的钢材，并在超临界机组和超超临界机组得到广泛的应用，有多年的商业运行经验。随着超临界机组的大力发展，超临界机组材料国产化也必须得到进一步推动和发展。2•超临界锅炉的结构特点及制造工艺美国、前苏联、日本、欧洲的主要锅炉制造厂商，在发展超临界技术时，形成了各具特色的技术特点.3•炉型炉型主要取决于煤种，也和制造厂商的传统有关，除了前苏联的T型外，主要是单烟道塔式布置和双烟道□型布置两种。欧洲大多采用塔式布置，美国、LI本则采用双烟道II型布置。塔式布置的优点是占地面积小，对流受热面受热均匀，磨损轻，对结焦和堵灰不敏感，且停炉时可完全疏水。缺点是厂房高，构架金属耗量大，安装难度大。 □型布置的优点是厂房比较矮，结构紧凑。3.2汽水分离器超临界压力锅炉的汽水分离工作有汽水分离来承担，分离器利用离心力作用进行分离，主耍取决于分离器直径和工质的入口速度，在超临界锅炉上允许的流速和压降可以稍大一些，可以采用多只汽水分离器，因此可以减薄壁厚和缩小直径，同亚临界锅炉的汽包相比小得多，可以减少重型汽包，大口径下降管和重型厂房及设备的投资与建设。600MW等级的汽水分离器典型结构如图1如下。汽水分离器规格为①550X65,长度为2500mm左右，材质为SA-335P91,也有电厂采用WB36的筒身（每台锅炉用四个汽水分离器组成），上下封头分别焊有蒸汽引出管和饱和水引出管，筒身上布置四个倾斜的非径向的引入管，筒身内部布置有简单的汽水分离装置。筒身采用无缝钢管，可直接从国外的一些钢厂采购，如德国的奥尼斯曼、日本的住友、NKK等，封头可采用F91锻件冲压加工而成,近几年来，国内制造厂在设计、制造300MW、600MW亚临界锅炉的集箱和管道中，已大量采用SA-335P91.F91等材料，在备料、机加、冲压、焊接、热处理等方面已具有丰富的经验，成熟稳定的工艺完全可以满足汽水分离器的制造要求。汽水分离器的非径向管座管孔的加工是分离器制造的一个难点，应从设备和刀具的造型上加以注意，可利用数控镇铳床加工中心进行管孔加工，目前儿家大型锅炉厂从装备上、技术上具备制造超临界压力锅炉汽水分离器的能力。 3.3集箱随着电站锅炉容量的不断增大，集箱的壁厚和直径逐渐加大，例如亚临界锅炉集箱的壁厚已达到150mm左右，外径最大为①914mm,材料等级也从SA-106B、SA-106C.SA-335P12、SA-335P22上升为9CrlMoV钢(SA-335P91),集箱上通常带有三通、弯头、大量的管接头及相应的一些附件。超临界锅炉的集箱在设计结构上同亚临界锅炉基本相似，在规格、材质上也差异不大，国外超临界锅炉也采用15Mo3、WB36、13CrMo44>10CrMo910.X8CrNiMoVNbl6.13作为集箱的材料。三通是集箱的重要零件，目前主要有压制三通、冲焊三通、焊接三通等几种加工方法，目前各制造厂大多采用引进ALSTOM公司技术生产的压制三通。但从经济性看，焊接三通更具有竞争力，如从强度计算、内表面加工等方面加以完善，也可以采用。如H本三菱公司采用焊接三通的比例就相对多一些。弯头全部采用专用模具热压成型。厚壁集箱筒身环缝的焊接，大多采用首层氮弧焊封底，然后手工电弧焊打底和过渡，然后采用埋弧自动焊方法进行填充和盖面，目前国内集箱环缝主要采用这种组合方法焊接，但此方法工序较多，生产效率不高，国外锅炉制造厂已开始采用手工tig打底、MAG焊盖面新工艺和窄间隙热丝TIG焊接厚壁联箱筒身环缝。窄间隙热丝TIG因其保护效果好，能有效地消除焊缝中的气孔，在相同的焊接电流下不仅熔敷效率高，而且焊接质量好，同时可采用窄间隙坡口，对于厚度为6=100mm筒身，热丝TIG窄间隙焊所需的熔敷金属比常规埋 弧焊少42%,焊接过程稳定的焊接方法，值得国内各制造厂学习和借鉴。集箱管接头角焊缝，手工焊量大，一台300MW锅炉联箱角焊缝以往大多采用手工焊焊接，由于结构原因，只能作MT检验，也是最容易发生质量问题的环节。随着锅炉容量的增加和技术装备水平的进步，各制造厂自动化程度也在逐步提高，采用合理的坡口结构，如将短管接头的坡口从非焊透结构改为全焊透结构，从根本上保证了管接头焊接的内在质量。如对短管接头采用内孔自动脉冲TIG焊封底、外侧手工电弧焊盖面以及内孔自动脉冲TIG焊封底、外侧细丝埋弧自动焊盖血焊工艺。为了适应大容量机组特殊钢种焊接要求，改善工人劳动条件，国内也引进了集箱管接头焊接机器人工作诂，采用细丝脉冲电弧自动焊工艺，具有精确探测测量和自动纠正等功能，可准确测定和纠止管座位置和焊接变形引起的偏差。国外锅炉制造厂管接头焊接方法同国内制造厂大致相当，其中以日本三菱公司香烧工厂为代表（联箱管接头的备料、磨光、弯管全部由机械手自动完成），联箱管接头结构型式基本上取消了CE公司传统长管接头“编花”结构（如再热器联箱）,基本上实现机器人焊接，机械自动化程度非常高。3.4蛇形管超临界锅炉蛇形管（包括省煤器、过热器、再热器）同亚临界蛇形管相比，并无明显的差别。只有随着锅炉容量的增加，蛇形管的管径、壁厚、管排尺寸有所不同，使用材料种类基本上同亚临界锅炉一 致，只是碳索钢含量明显减少，SA-213T91和奥氏体不锈钢用量相对多一些。（按DIN标准所用材料为15CrMo.13CrMo44.10CrMo910、X20CrMoV21）,奥氏体不锈钢用量增加，给焊接和热处理都带来一定难度（早期超临界机组奥氏体材料出现的问题比较多，多年来也进行了攻关和改进）。国内亚临界锅炉奥氏体不锈钢管子弯后的固溶化处理一般采用弯头局部固溶处理，存在过渡区、晶粒度粗大等一系列问题。国外制造厂三菱公司采用不锈钢管屏整体热处理，热处理炉采用固定式计算机程控热处理炉侧门开启、辐道输入强制冷却风室快速冷却，质量好、变形小。固溶化热处理炉，最高温度1200°C,管屏连续处理，温控均匀，尾部没有强制风冷装置，目前该设备已投入生产，具有国际先进水平。超临界锅炉蛇形管排的长度较长，对各制造厂的设备能力提出了一定要求。八十年代以来，国内儿家大型锅炉厂根据口身的特点，经过六五、七五、八五的技术改造相继建成了各具特色的蛇形管生产线，主要包括立体料架、直管接长焊机（如TIG焊机、TIG+MIG焊机等）、输送辘道、X光工业电视、送料小车、提升装置、弯管机等，可实现直管接长，焊口X光工业电视在线检验，计算机程控弯制蛇形管排等功能，机械化、自动化程度有了很大飞跃。蛇形管生产线大致分为两类：一是计算机控制系统弯管机生产线，单侧布置，双R单向弯曲，可冷弯、热弯（中频感应、内侧加热）以及顶徹弯管，优点是占地面积小、结构紧凑、适用于长管排生产，缺点是管排需翻身；另外一种是弯管机居中布置，弯管机头可翻转，实现单R双向冷 弯，带顶徹装置，优点是管排不翻身，管排变形小，弯管精度易于保证，缺点是占地面积大，弯制长管排困难。随着国家能源政策的调整，大力发展超临界机组已成为一个必然的趋势，因此各制造厂在新增或对老生产线进行技术改造时，应充分注意超临界管屏的上述特点，调整和应的工艺布局。对蛇形管制造来讲，主要技术一般有两种国际规范，即美国ASME规范和法国TRD、VGR和DIN标准组成动力锅炉规范技术要求。同亚临界锅炉相比，超临界锅炉蛇形管的制造技术要求，国内外制造厂并无明显差别，只是附加一些特殊要求。由于国内儿家大型锅炉厂目前正积极同国外一些著名厂商洽谈，引进技术或合作生产。管端成型（缩口、徹粗、弯曲加工）TRD耍求评定冷、热成型和弯曲加工工艺，评定试验应由技术监督协会见证。ASME规范笫一卷没有类似的要求,TRD规范中管子弯头质量应符合VGB或DN2413标准中关于椭圆度、弯头外侧减薄量、弯头内侧增厚量等要求，美国标准屮一般不考核弯头内侧增厚情况。3.4弯后热处理国内制造厂、美国ALSTIM公司等，管子弯后是否需要热处理由管子弯曲变形情况来决定，可根据不同材质、不同规格管子的R/D的数值来判定。而欧洲的一些国家按弯头表面的强度值大小作为衡量是否热处理的标准。另外ASME标准和欧洲标准在产品试样、焊工技能评定、焊接 工艺规程评定、热处理、无损探伤等方面也有不同的规定，因此制造厂必须了解、掌握两个规范的差别，才能设计制造出合格的产品。3.5水冷壁近代大容量超临界锅炉有四种基本形式：(2)B&W公司发展的UP型直流锅炉。(2)ALST0M公司发展的复合循环锅炉。⑶福斯特•惠勒公司发展的FW型直流锅炉。⑷螺旋管圈变压运行直流锅炉。前面三种型式带基本负荷，走压运行为主，70年代屮期开发螺旋管圈直流锅炉，由于能满足变压运行和快速变负荷的要求，因而发展较快。大容量超临界锅炉常釆用炉膛下部水冷壁为螺旋管圈式，而炉膛上部则采用垂直上升管屏。这两种水冷壁之间的连接方法一般有两种，即采用中间集箱和采用分叉管。超临界压力锅炉水冷壁要使用l/2Cr-l/2Mo钢(SA-213T2),高温区要使用抗氧化性能良好的1丄C「l/2Mo钢(SA-213T11、4SA-213T12等)或2丄C「lMo钢(SA-213T22)。43.6低合金钢管屏的制造现代化大型锅炉的膜式水冷壁全部采用光管加扁钢双面焊形成膜式壁管屏。一台600MW电站锅炉，焊缝总长度超过40万米左右， 因此在生产中必须采用高效率的自动化焊接生产线，才能完成。膜式壁的制造主要有埋弧自动焊和气体保护焊两种工艺方法，最早用于生产的是德国BABCACK公司开发的膜式水冷壁系列专用成套埋弧自动焊装置，具有管子和扁钢定位、夹紧、送进、焊接和焊剂自动冋收等功能，一般都装有四个或八个焊头同时完成水平位置四条或八条角焊缝的焊接，采用“双生法”技术，操作简单，但由于工艺方法自身的特点和不能实现仰焊的限制，工间需要翻身变形校正，生产周期加长，为了满足大容量锅炉机组的特殊要求和质量保证，口本三菱重工于80年代初期研制和开发了一种新型膜式壁管屏双面MIG口动焊接装置即MPM焊机（MITSUBISHIPANELPROCESSINGMACHINE的缩写）。MAG管屏自动焊机与抛丸机、扁钢校正和精整机、输送辗道、管子和扁钢组装机等辅助设备相配套，形成了膜式壁管屏自动线，工艺上采用全对称焊接方式即焊接程序，焊接热输入量及焊接结构等，上下焊枪同时焊接，一次成型，无需校正，使焊接变形最小，管屏几何尺寸精度较高。实践证明，采用富Ar混合气体保护焊自动焊机焊接低合金钢管屏具有改善熔滴过渡稳定性，采用低热输入焊接方法和工艺，操作性能优良，减少焊接飞溅，焊缝成形美观,提高了焊接接头的表面质量，有利于合金元素向焊缝过渡的特点，是一种高效、优良、低成本的焊接方法。通过走引进技术与自主开发、技术改造相结合的道路，国内制造厂已完全掌握了MPM焊机的制造工艺，工艺装备和制造质量达到了国际同类产品的水平。完全能够满足超临界锅炉水冷壁的制造要求。 按照TRD标准,15CrMo和13CrMo44管焊接的鳍片管屏不需要焊后热处理，而ASME对P4、P5类以上材料均要求强制性热处理，对于P3类（15Mo3属于P3类）不耍求，但对弯后热处理要求较严。