一种超超临界机组锅炉集箱及其焊接方法

技术领域

本发明属于电站锅炉制造技术领域，主要用于电站锅炉承压设备的制作，具体涉及一种超超临界机组锅炉集箱及其焊接方法。

背景技术

我国的能源资源禀赋是富煤、少油、贫气，而且燃煤发电具有不可替代的稳定性，在电力供应中具有压舱石的作用，这就决定了在未来较长一段时间，燃煤发电仍将占据主导地位，但是为了解决环境问题，提高煤炭的利用率，减少污染物的排放，就必须要提高燃煤发电机组的效率，而要提高机组的效率就必须进一步提高燃煤发电机组的参数。2017年行业内着手建造更高参数的630℃超超临界机组示范项目，但是现有燃煤发电机组参数已提高到620℃，其相应的锅炉高温段集箱部件设计温度也达到了620℃，在现有条件下，已无再提高设计参数的可能。

为了进一步提高燃煤发电机组的参数，满足630℃超超临界机组示范项目的建造需求，就必须有能够胜任630℃以及更高参数服役的锅炉集箱部件。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种超超临界机组锅炉集箱及其焊接方法，通过选择合理的集箱部件制造材料，并设计适合的焊接工艺方法，有效解决了630℃超超临界机组锅炉关键部件集箱的制造难题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种超超临界机组锅炉集箱，包括集箱筒体和大管座，集箱筒体与大管座的材质按质量比为含8.50～9.50％Cr、2.40～3.50％W和2.50～3.50％Co的铁素体抗蠕变耐热钢；集箱筒体与大管座之间通过筒与座连接焊缝连接，集箱筒体之间通过筒与筒连接焊缝连接，筒与座连接焊缝采用开坡口角接焊接的连接方式，筒与筒连接焊缝连接采用开坡口对接焊接的连接方式。

进一步的，所述的集箱筒体与大管座的材质按质量比还含0.007～0.022％B、0.005～0.019％N、0～0.20％Ni和0～0.0050％O，且B与N的比值为0.45～1.75。

一种超超临界机组锅炉集箱的焊接方法，针对上述的超超临界机组锅炉集箱，筒与座连接焊缝采用GTAW+SMAW组合焊接；所述的筒与筒连接焊缝采用GTAW+SMAW+SAW组合焊接。

进一步的，所述的GTAW焊接中，焊丝直径1.6～2.8mm，焊前预热温度185～225℃，层间温度205～305℃，焊接电流70～210A，焊接电压12～19V，焊接速度60～120mm/min，焊接前在坡口背面刷涂免充氩保护剂，保护剂刷涂宽度两侧各不小于5mm，厚度为0.3～1.0mm；所述的GTAW焊接中，所用焊丝焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.003～0.01％的B。

进一步的，所述的SMAW焊接中，焊条直径为2.5～4.2mm，焊前预热温度225～245℃，层间温度235～305℃，焊接电流60～130A或90～170A，焊接电压22～34V，焊接速度150～220mm/min，焊接时，先施焊筒体表面焊道，再施焊其余填充焊道；所述的SMAW焊接中，所用焊条焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.002～0.008％的B。

进一步的，所述的SAW焊接中，焊丝直径1.4～3.2mm，预热温度225～245℃，层间温度235～305℃，焊接电流260～360A或320～420A，焊接电压27～32V，焊接速度240～450mm/min，施焊时，焊丝端部与待焊侧坡口之间的距离不超过焊丝直径，每层焊道超过两道时，应先施焊两侧坡口面焊道，再施焊中间焊道，并保证每道焊道外观呈凸形；所述的SAW焊接中，所用焊丝+焊剂焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.001～0.005％的B。

进一步的，所述的GTAW打底焊接时，两段筒体水平放置，保证装配预留2.5～4.5mm间隙，打底施焊时，从对接环焊缝三点半和八点半处向上爬坡施焊至十三点和十一点处停止，然后转动筒体，使未焊接区域处于前述焊接位置区域之内，然后完成剩余焊缝的焊接。

进一步的，所述的GTAW打底焊接时，大管座与集装筒体之间预留2.1～3.2mm装配间隙，管座轴线与垂直向下方向成35～45°夹角，采用从大管座两侧向上爬坡的施焊方式，保证背面焊缝外观成形和打底层焊缝金属的厚度

进一步的，当筒体壁厚较厚时，应每焊接20mm厚的焊缝金属，进行一次探伤检验和消除应力热处理，以便及时发现缺陷，减少焊接残余应力，避免后续焊缝焊接时热影响区不产生焊接缺陷，消除应力热处理规范为745～775℃/≥2h。

进一步的，所述的SMAW焊接中，筒体侧焊道施焊完成后，打磨进行探伤检查，探伤检查后进行745～775℃/≥4h消除应力热处理，热处理后探伤合格后，再施焊其余填充焊道。

本发明的有益效果：通过选择合理的集箱部件制造材质，并设计适合的焊接工艺方法，提出了一种能够满足630℃参数的超超临界机组锅炉集箱及焊接方法，有效解决了630℃超超临界机组锅炉关键部件集箱的制造难题，为630℃超超临界机组示范项目的建造提供前提保障。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的结构剖视图。

图3是图1的A-A向剖视图。

图4是图1的B-B向剖视图。

图5是本发明筒与座连接坡口示意图。

图6是本发明筒与筒连接坡口示意图。

图7是本发明筒与座角焊缝打底焊接位置及方向示意图。

图8是本发明筒与筒环缝打底焊接位置及方向示意图。

图9是管座SMAW筒体侧焊道布置示意图。

图10是管座SMAW其余填充焊道布置示意图。

图中：1-集箱筒体，2-大管座，3-筒与座连接焊缝，4-筒与筒连接焊缝，5-管座及管孔轴线，6-筒体轴线，D-筒体外径，D1-筒体内径，d-管座外径，d1-管座内径，311-筒体侧焊道，312-其余填充焊道；11-筒体一段，12-筒体二段，13-筒体三段，21-一号管座，22-二号管座，23-三号管座，24-四号管座，25-五号管座，26-六号管座，31-一号筒与座连接焊缝，32-二号筒与座连接焊缝，33-三号筒与座连接焊缝，34-四号筒与座连接焊缝，35-五号筒与座连接焊缝，36-六号筒与座连接焊缝，41-一二段筒与筒连接焊缝，42-二三段筒与筒连接焊缝。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1

参考图1～图4所示，一种超超临界机组锅炉集箱，包括集箱筒体1和大管座2，集箱筒体1与大管座2之间通过筒与座连接焊缝3连接，集箱筒体1之间通过筒与筒连接焊缝4连接。

具体包括三段集箱筒体1、六个大管座2、六个筒与座连接焊缝3和两个筒与筒连接焊缝4，三段集箱筒体1包括筒体一段11、筒体二段12和筒体三段13，六个大管座2包括一号管座21、二号管座22、三号管座23、四号管座24、五号管座25和六号管座26，六个筒与座连接焊缝3包括一号筒与座连接焊缝31、二号筒与座连接焊缝32、三号筒与座连接焊缝33、四号筒与座连接焊缝34、五号筒与座连接焊缝35和六号筒与座连接焊缝36，两个筒与筒连接焊缝4包括一二段筒与筒连接焊缝41和二三段筒与筒连接焊缝42。

集箱筒体1与大管座2的材质按质量比为含8.50～9.50％Cr、2.40～3.50％W和2.50～3.50％Co的铁素体抗蠕变耐热钢。集箱筒体1与大管座2的材质按质量比还含0.007～0.022％B、0.005～0.019％N、0～0.20％Ni和0～0.0050％O，且B与N的比值为0.45～1.75，实测化学成分见表1。

表1实测化学成分

由于该钢含有较多的沉淀和固溶强化元素以及较高的Cr元素，并且将O含量控制在0.0050％以下，所以在600～650℃具有良好的高温力学性能和抗氧化性能，见表2，600℃的许用应力最大值不低于103MPa，625℃的许用应力最大值不低于79MPa，650℃的许用应力最大值不低于44MPa，完全能够胜任630℃参数机组的服役要求，同时，含有0.007～0.022％B以及最佳的B、N比，使得该钢焊接后接头的高温持久性能明显提升，实测焊接接头持久强度达到母材的80％以上，焊接接头强度因子在0.8以上。

表2高温性能

参考图6所示，筒与座连接焊缝3采用开坡口角接焊接的连接方式，图中各参数的设计是根据材料的焊接特性并结合相应的焊接方法，并通过大量的试验验证而确定的最佳值，与大管座坡口设计和焊接位置相配合，能够保证根部充分熔透，焊缝金属厚度达到3mm左右，有利于防止后续焊道焊接时烧穿，同时配合背面免充氩保护剂保护，有效防止焊缝背面氧化，保证焊缝成形均匀，余高不超过2.5mm。另外，大管座坡口设计为圆弧形坡口面，能够有效克服该材料焊接熔池粘稠、电弧指向性差造成的上坡口面无法熔合的问题，从而有效保证整个接头的焊接质量，焊缝一次探伤合格率达到98.7％以上。筒与座连接焊缝3采用GTAW(钨极气体保护电弧焊)+SMAW(手工电弧焊)组合焊接。

参考图5所示，筒与筒连接焊缝4连接采用开坡口对接焊接的连接方式，图中各参数的设计是根据材料的焊接特性并结合相应的焊接方法，并通过大量的试验验证而确定的最佳值，与其连接坡口设计和相应焊接位置相配合，能够充分保证根部熔透，焊缝金属厚度达到3mm左右，有利于防止后续焊道焊接时烧穿，同时配合背面免充氩保护剂保护，有效防止焊缝背面氧化，保证焊缝成形均匀，余高不超过2.5mm。同时，具有小角度坡口面，在保证侧壁熔合良好的前提下，可有效减少焊接填充金属，从而减小焊缝体积，降低焊缝出现缺陷的几率，减少焊材用量，降低制造成本，提高生产效率。筒与筒连接焊缝4采用GTAW(钨极气体保护电弧焊)+SMAW(手工电弧焊)+SAW(埋弧焊)组合焊接。

实施例2

一种超超临界机组锅炉集箱的焊接方法，针对实施例1的超超临界机组锅炉集箱。

筒与筒连接焊缝4采用GTAW+SMAW+SAW组合焊接。

GTAW焊接中，焊丝直径1.6～2.8mm(优选2.4mm)，焊前预热温度185～225℃，层间温度205～305℃，焊接电流70～210A，焊接电压12～19V，焊接速度60～120mm/min，焊接前在坡口背面刷涂免充氩保护剂，保护剂刷涂宽度两侧各不小于5mm，厚度为0.3～1.0mm。

参考图7所示，GTAW打底焊接时，两段筒体水平放置，保证装配预留2.5～4.5mm间隙，打底施焊时，从对接环焊缝三点半和八点半处向上爬坡施焊至十三点和十一点处停止，然后转动筒体，使未焊接区域处于前述焊接位置区域之内，然后完成剩余焊缝的焊接。

SAW焊接中，焊丝直径1.4～3.2mm(优选1.6或2.4mm)，预热温度225～245℃，层间温度235～305℃，焊接电流260～360A或320～420A，焊接电压27～32V，焊接速度240～450mm/min，施焊时，焊丝端部与待焊侧坡口之间的距离不超过焊丝直径，每层焊道超过两道时，应先施焊两侧坡口面焊道，再施焊中间焊道，并保证每道焊道外观呈凸形。该焊接工艺的突出特点在于严格控制层间温度，保证焊缝不产生凝固裂纹的同时，使焊缝金属具有较高的冲击韧性。另外，保证焊道外观呈凸形也是控制焊缝不产生凝固裂纹的关键措施。

GTAW打底焊接中，所用焊丝焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.003～0.01％的B。SAW焊接中，所用焊丝+焊剂焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.001～0.005％的B。

筒与座连接焊缝3采用GTAW+SMAW组合焊接。

GTAW焊接中，焊丝直径1.6～2.8mm(优选2.4mm)，焊前预热温度185～225℃，层间温度205～305℃，焊接电流70～210A，焊接电压12～19V，焊接速度60～120mm/min，焊接前在坡口背面刷涂免充氩保护剂，保护剂刷涂宽度两侧各不小于5mm，厚度为0.3～1.0mm。

参考图8所示，GTAW打底焊接时，大管座与集装筒体之间预留2.1～3.2mm装配间隙，管座轴线与垂直向下方向成35～45°夹角，采用从大管座两侧向上爬坡的施焊方式，保证背面焊缝外观成形和打底层焊缝金属的厚度。

参考图9和图10所示，SMAW焊接中，焊条直径为2.5～4.2mm(优选3.2或4.0mm)，焊前预热温度225～245℃，层间温度235～305℃，焊接电流60～130A或90～170A，焊接电压22～34V，焊接速度150～220mm/min，焊接时，先施焊筒体表面焊道，再施焊其余填充焊道。

当筒体壁厚较厚时，应每焊接20mm厚的焊缝金属，进行一次探伤检验和消除应力热处理，以便及时发现缺陷，降低修复处理的难度，同时，降低焊接残余应力峰值，避免后续焊缝焊接时由于残余应力过大而制造热影响区产生焊接缺陷，消除应力热处理规范为745～775℃/≥2h。

SMAW焊接中，筒体侧焊道施焊完成后，打磨进行探伤检查，探伤检查后进行745～775℃/≥4h消除应力热处理，热处理后探伤合格后，再施焊其余填充焊道。

GTAW打底焊接中，所用焊丝焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.003～0.01％的B。SMAW焊接中，所用焊条焊缝金属按质量比含有8.50～9.50％Cr、2.40～3.0％W和2.50～3.20％Co，且含有0.002～0.008％的B。

采用上述方式焊接所得到的集箱，筒体与大管座连接焊缝UT％+MT％探伤一次合格达到98.7％以上，金相检验焊缝及坡口面熔合良好，未发现缺陷；筒体与筒体连接焊缝UT％+MT％探伤一次合格达到99.5％以上，接头力学性能：抗拉强度达到737～743MPa，弯曲未发现开口缺陷，焊缝冲击功最低值超过80J，焊缝硬度在230～240HB，金相检验焊缝及坡口面熔合良好，未发现缺陷。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。