津卡南进水蝶阀上游管现场焊后热处理工艺

2020-08-28郑达炜

水电站机电技术 2020年8期

郑达炜

（中国水利水电第十六工程局有限公司，福建福州350000）

1 概况

津巴布韦卡里巴南岸水电站位于津巴布韦和赞比亚交界的赞比西河上的卡里巴峡谷段，位于赞比西河和喀辅埃河交汇处上游40 km。扩机电站为地下厂房。引水系统采用“单机单管”供水方式，尾水系统采用2 台机共用1 个尾水调压室、1 条尾水洞形式。装机容量2×150 MW。额定水头89 m，额定流量188 m3/s。每台机组在蜗壳进口布置1 台双密封蝶阀，蝶阀内径5 780 mm，有上游管、蝶阀本体、伸缩节、下游管、液压操作系统、技术取水阀、旁通管路及旁通阀、旁通管伸缩器、排气阀、检修阀、操作平台等附件。蝶阀开启采用油压操作，额定操作油压14 MPa，重锤关闭。

蝶阀基本参数：

蝶阀型号：PDF113-WY-578

公称通径：5 780 mm

公称压力：1.6 MPa

额定流量：188 m3/s

密封结构：双密封（一道检修密封及一道工作密封）

最大静水头：113.2 mH2O

开阀时间：90～150 s（可调）

关阀时间：60～120 s（可调）

介质温度：1～65 ℃

适用介质：水

2 热处理方案选择

蝶阀上游管在焊后必然存在焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接引起焊件不均匀的温度分布，焊缝金属的热胀冷缩等原因造成的，所以伴随焊接施工必然会产生残余应力。消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊后热处理对金属抗拉强度、蠕变极限的影响与热处理的温度和保温时间有关。焊后热处理对焊缝金属冲击韧性的影响随钢种不同而不同。由于津巴布韦这个非洲国家没有专门的热处理炉，因此只能在现场自行进行蝶阀上游管焊后热处理。

2.1 上游管数据

上游法兰：Φ6 720 mm（外径）、Φ5 780 mm（内径）、高480 mm、法兰厚度180 mm、材质Q345R；

上游管Ⅱ：Φ5 780 mm（内径）、壁厚60 mm、高度1 120 mm、材质Q345R。

2.2 热处理要求

津卡南项目合同条款业主要求是以ASME 为准，因此本工程蝶阀上游管热处理工艺遵循ASME中的几项要求[1]：

（1）ASME Ⅷ《美国锅炉及压力容器规范第一册压力容器建造规则》其中UW-40 焊后热处理描述如下：

（a）焊后热处理（PWHT）的操作应遵照C 分卷内有关篇中给定的要求，且按下列工艺之一执行。在下列工艺中，加热带定义为达到或超过在表UCS-56 所列的最低的PWHT 所要求的金属体积值。作为最低要求，加热带应包括焊缝、热影响区和与被热处理焊缝相邻的部分母材。该体积的最小宽度为在最宽焊缝的每一侧或焊缝的每一端加上t或2 in.（50 mm），取较小值，t 为下面（f）定义的公称厚度。

（b）用可能需要焊后热处理的材料建造的容器，其采用的焊后热处理温度和加热及冷却速率应符合UCS-56、UHT-56、UNF-56 及UHA-32 所规定的要求。

（c）表UCS-56、UHT-56 及UHA-32 和UNF-56 所规定的焊后热处理的最低温度应是任何容器壳体或封头板材热处理的最低温度。

……

（f）表UCS-56、UCS-56.1、UHA-32 及UHT-56 中的公称厚度是下面所定义的焊接接头厚度。对一次装炉进行焊后热处理的受压容器或受压容器零件，其公称厚度是先前未经焊后热处理的任一容器或容器零件中的最大焊缝厚度。

①当用全焊透对接焊的焊接接头连接等厚度零件时，其公称厚度等于除去允许的焊缝余高后的焊缝总深度。

……

（2）ASME Ⅷ《美国锅炉及压力容器规范第一册压力容器建造规则》其中UCS-56 焊后热处理要求中（d）描述如下：

表1 UCS—56 碳钢和低合金钢的焊后热处理要求

（d）焊后热处理操作应按UW-40 规定的程序之一进行，并符合下述要求：

①容器和零件进炉时，炉温不得超过800℉（425℃）。

②800℉（425℃）以上时，加热速率不得大于：400℉/h（222℃/h）除以壳体或封头的最大金属板厚（单位：in.），但决不能超过400℉/h（222℃/h）。升温时间，被加热容器的各个部分不应有较大的温度差，在15 ft（4.6 m）长的范围内的温度差不得大于250℉（120℃）。

……

⑤温度高于800℉（425℃）时，降温应在封闭的炉内或冷却室内进行。其冷却速率不得大于500℉/h（280℃/h）除以壳体或封头的最大金属厚度（in.），但决不能大于500℉/h（280℃/h）。到800℉（425℃）时容器可以在静止的空气中冷却。

……

注释3：加热和冷却速度不得小于100℉/h（56℃）。然而，对封闭室和复杂的结构可能要考虑加热和冷却速度，以避免因过大的温度梯度而损坏结构。

2.3 热处理数据确定

蝶阀上游法兰及上游管Ⅱ材质均为Q345R，壁厚为60 mm，对应的ASME 为P-No.1 组2。1 in.≈25.4 mm，则根据表UCS-56 保温最低温度选择595℃，最少保温时间为2+9.2/25.4×15/60=2.091 h。上游管Ⅱ壁厚换算成英寸为2+（60-50.8）/25.4=2.36 in.，最大加热速率为222/2.36=94℃/h，最大降温速率为280/2.36=118℃/h。

经与业主监理工程师商量确定现场热处理的实际数值：保温温度为600℃，保温时间为2.5 h，加热速率56℃/h≤且≤94℃/h，降温速率56℃/h≤且≤118℃/h，如表2 所示。

表2 实际热处理要求取值

图1 蝶阀上游管焊后热处理曲线

3 蝶阀热处理

3.1 施工前准备

清除上游管内外油漆，防止热处理过程油漆暗燃产生黑烟，设置热处理隔离区域，在区域内均匀布置4 个钢支墩，钢支墩上垫好石棉垫及石棉被，将蝶阀上游管吊至钢支墩上，检查所用履带式加热器。

3.2 加热器布置

焊缝上下设置∟型支架将履带式加热器贴紧焊缝，固定在上游管焊缝处，焊缝内外侧都布置加热器。单块加热器尺寸为520 mm×120 mm，布置一圈所需加热块数量为（5 780 mm×π）/520 mm=35 块。将石棉被绕钢管，由外而内，沿圆周方向，将整个钢管包裹起来。在外圆周方向均匀设置8 个测量位置，每个位置上下2 个温度测量点（在石棉被上开个小洞，测量时移开石棉堵块），如图2 所示。

图2 蝶阀上游管热处理布置示意图

3.3 电气接线

在上游管焊缝上下沿圆周方向并排布置两圈加热器，每8 块加热器串联成1 组，剩余6 块各串联成1 组，电源为380 V，每组对接1 个控制开关，共8+1=9 个，接入1 个电源控制柜，内外侧相同，通过开断内外开关来控制温度。接入电源后，检查每组加热装置运行情况。

3.4 热处理过程控制

合上电源，进行试加热15 min，检查各个加热块运行状态，无异常后对焊缝进行正式加热，加热速率56℃/h≤且≤94℃/h。保温方式：待温度升至600℃，保温2.5 h。缓慢降至常温，降温速率56℃/h≤且≤118℃/h。整个热处理过程，由2 名电气人员用测温枪，随时监测焊缝温度，并每15 min记录1 次。保温期间，控制焊缝温差≤85℃。7 号机热处理温度控制过程如表3 所示。