高寒地区冬季火电焊接施工

徐方利，方伟，姚泽军

(四川电力建设二公司，四川成都610051)

高寒地区冬季火电焊接施工

徐方利，方伟，姚泽军

(四川电力建设二公司，四川成都610051)

为了解决高寒地区冬季火电建设焊接施工中遇到的环境温度过低难题，在现场采用搭设防风取暖棚、环境辅助加热等特殊措施，使焊接区域形成较小、较密闭的空间并提高其内部环境温度，以达到各种钢材对焊接环境温度的要求；热处理时适当增加加热宽度、保温厚度和恒温时间，降低冷却速度；焊后对焊缝进行无损探伤、硬度检测、金相检验及机械性能试验，结果表明焊接质量合格。采用这些特殊措施，使在寒冷的冬季进行焊接也能获得可靠的质量，为工程建设争取到可观的经济效益和宝贵的时间。

高寒；焊接；保温棚；辅助加热

0 前言

陕西府谷清水川电厂位于陕西省最北端的府谷县境内，南距清水川河入黄河口约5km，东接山西，北临内蒙古，属半干旱大陆性季风气候，冬季寒冷，时间长。其冬季主要气象要素为：极端最低气温－30℃，最冷月平均气温－8.1℃，最大积雪深度13 cm，最大冻土深度142 cm，冬季盛行风向为西南风，平均风速2.5 m／s。

本工程为新建火力发电厂，建设规模2×300 MW空冷燃煤机组。按照计划，必须在寒冷的冬季完成全部锅炉受热面小管道、大管道(集箱)和部分汽机四大管道的焊接施工，于2006年12月31日前基本具备水压条件。

1 冬季焊接技术要求

(1)《火力发电厂焊接技术规程》DL／T869－2004要求各种钢材允许进行焊接施工的最低环境温度如下：

a.AⅠ类。如20、20g、SA210、SA106A、SA106B等为－10℃。

b.AⅡ、AⅢ、BⅠ类。如16Mn、WB36、15CrMo、12Cr1MoV、P22等为0℃。

c.BⅡ、BⅢ类。如G102、P91、T91等为5℃。

(2)施工现场应采取措施减小焊接场所的风力，按GB50236－1998的要求，在进行氩弧焊等气体保护焊时，风速不得超过2.0 m／s；在进行焊条电弧焊时，风速不得超过8.0 m／s。

(3)特殊情况下的焊前预热要求。

a.在0℃及其以下，壁厚不小于6 mm的耐热钢管子、管件的焊接预热温度应比规定值高30℃～50℃。

b.在－10℃及其以下，壁厚小于6 mm的耐热钢管子及壁厚大于15 mm的碳素钢管在焊接前应适当预热。

2 冬季焊接施工准备

本工程锅炉受热面和汽机四大管道涉及到的钢材种类比较多，几乎涵盖了从AⅠ到BⅢ的各个级别，高压管道规格从φ 38～φ 812。尤其是对主蒸汽管道SA335P91钢管的焊接要求非常严格。

清水川电厂地处西北高寒地区，冬季平均温度－8℃，最低温度可达－30℃，这样的环境温度根本不能满足焊接施工的基本要求。通过查阅相关资料了解到，在低温环境下焊接施工的主要质量问题是焊缝被淬火、焊缝硬度偏高、裂纹，但是没有较完整的高寒地区冬季焊接施工措施的资料。于是根据一些零散的资料、信息，结合本地气候特点，通过反复的讨论分析，决定在冬季施工时采取如下特殊措施。

(1)采取两级防风措施。首先在炉膛外围依靠钢结构在冬季盛行风向迎风面采用帆布或彩条布设置一道防风屏，然后在每个焊接区域较小的范围内采用帆布或彩条布设置第二道防风屏。

(2)锅炉管排安装焊接时，先根据周围设备情况用帆布将焊接区域四周进行双层封闭，只在顶部预留排烟孔，然后再采用加热器等方式进行加热，同时在跳板、棚布上铺石棉布，防止发生火灾，如图1所示。

图1 锅炉管排安装焊接的防风措施

(3)四大管道组合焊接前，将预先制作好的2 m× 2 m移动式防风取暖棚罩于管道上，然后将取暖棚底部及管道周围采用帆布进行遮围。并在棚内采用电加热取暖器等方式进行加热升温，保证棚内环境温度高于钢材允许的最低环境温度，满足焊接施工的需要，如图2所示。

(4)四大管道、锅炉大管安装焊接时采取与管排焊接时相似的防风保温取暖措施。

(5)环境加热用的加热器采用经改进后的热处理加热片，单片最大功率5～10 kW，同时采用热处理自动控温柜进行控制，以便根据环境温度、保温棚保温性能以及加热空间等因素的不同实现对温度的有效调节，保证保温棚内达到需要的温度。环境温度监测采用测温枪和温度计。

(6)焊后热处理时同样需采取防风措施和挡雪措施，避免出现较大温度偏差或水淬而导致淬火、管道歪曲、硬度不合格；同时，热处理保温的厚度和宽度也要增加。

(7)焊接预热措施。采取以上防风保温取暖措施后仍然达不到要求的最低温度时，按以下要求进行焊前预热和焊后缓冷：

a.在0℃及其以下，壁厚不小于6 mm的耐热钢管子管件的焊接预热温度应比规定值高30℃～50℃。

b.在－10℃及其以下，壁厚小于6 mm的耐热钢管子及壁厚大于15 mm的碳素钢管在焊接前应适当预热。

c.小管、密封、其他结构件的焊接预热主要采用火焰预热，并采用红外线测温仪监控预热温度。

图2 四大管道组合焊接前的保温措施

3 实施和改进

3.1 两级防风和预热措施

2006年11月13日，府谷地区开始降温，早上8∶00气温仅0℃，开始启动两级防风措施和预热措施。在随后的两天均发现锅炉、修配工地采用E4303 (J422)焊条在夜间焊接的焊缝出现裂纹。通过试验、对比分析认为，其原因是J422焊条在低温下的焊缝力学性能降低，J422焊条适用的最低温度在－10℃左右，于是在现场其他工地的钢结构焊接全部采用E5015(J507)焊条，并进行焊前预热。采取本措施后同类焊接施工未发现裂纹[1]。

受热面小管在低温情况下采用防风和预热措施后的焊缝经射线(RT)和超声波(UT)检验未发现裂纹等缺陷。

12Cr1MoV合金钢小管按正常工艺进行热处理后的布氏硬度值偏高，个别达到260～270HB。分析认为，其主要原因是环境温度较低使焊缝冷却速度较大，焊缝金相组织中珠光体比例增加。于是进行模拟试验，验证了此类焊缝金相组织中并没有淬硬马氏体，通过适当延长热处理恒温时间和减缓冷却速度即可以降低焊缝硬度，焊缝拉伸、弯曲等机械性能也没有明显变化。采用φ 76×12的12Cr1MoV合金钢小管作对比试验获得的数据如表1所示。

表112 Cr1MoV合金钢小管工艺调整数据对比

3.2 锅炉合金大管焊接

2006年11月27日，府谷地区开始大幅度降温，28日8∶00时气温已降到－6℃，开始启动大管道焊接防风保温取暖措施。以12月11日Ⅱ级减温器进出口管道(φ 610×80，12Cr1MoV)焊接为例，首先在10日下午搭设好防风保温棚，并布置好特制的加热片；11日7∶30开始同时送电进行焊口预热和环境加热；8∶00时环境温度－13℃；8∶30焊工开始准备，接通焊条保温筒电源；9∶00时经测温枪测量防风保温棚内温度也达到4℃，已经高于12Cr1MoV钢种的最低焊接温度，同时焊口预热温度已达到250℃，于是进行焊接作业；10∶00时，环境温度仅－9℃，防风保温棚内温度已达到6℃；15∶00时，环境温度仅2℃，防风保温棚内温度已达到10℃；16∶00时，焊缝高度已达到规定的25 mm，停止焊接，按工艺要求进行后热、缓冷，并进行射线(RT)检验，未发现裂纹等缺陷。12日按照以上程序及要求进行了二次焊接。13日至14日，对此焊缝进行了焊后高温回火热处理。15日，对此焊缝进行了超声波(UT)和硬度检验，未发现裂纹等缺陷，平均布氏硬度值232 HB，属正常范围。焊接工程中各个时段保温棚内与外界环境温度对比如表2所示，现场焊接照片如图3所示。

表2 各个时段保温棚内与外界环境温度对比

图3 锅炉合金大管焊接

2006年12月28日，锅炉受热面焊口累计完成17 479个，提前实现了工程预定目标。

3.3 汽机主蒸汽管道焊接

2007年2月28日，汽机主蒸汽管道(SA335P91)开始组合焊接，但此时期气温仍然很低，8∶30时气温基本在－5℃以下，比SA335P91钢种焊接最低5℃的要求低很多，于是启动大管道焊接防风保温取暖措施。27日，钳工对口完成后，将2 m×2 m移动式防风取暖棚罩于管道上，并将取暖棚底部及管道周围采用帆布进行遮围，同时在棚内布置好特制的加热片。28日7∶30分开始同时送电进行焊口预热和环境加热；8∶30时环境温度仅－5℃；焊工开始准备，接通焊条保温筒电源；9∶00时经测温枪测量防风保温棚内温度达到8℃，已经高于SA335P91钢种的最低焊接温度，同时焊口预热温度已达到250℃，于是开始进行焊接作业；10∶00时，环境温度仅－2℃，防风保温棚内温度已达到9℃；18∶00时，焊接工作结束，此时环境温度仅－1℃，但防风保温棚内温度仍然维持在10℃。2007年3月1日，对此焊缝进行了焊后高温回火热处理；2日，进行了超声波(UT)和硬度检验，未发现裂纹等缺陷，平均布氏硬度值266 HB，属正常范围。焊接过程中各个时段保温棚内与外界环境温度对比如表3所示，现场焊接照片如图4所示。

表3 各个时段保温棚内与外界环境温度对比

2007年3月中旬，气温全面回升，基本都在5℃以上，停止实施冬季焊接施工特殊措施。

图4 保温棚内主蒸汽管道焊接

2007年4月17日，1＃锅炉水压试验(超压按1.5倍工作压力29.96 MPa进行)一次成功，参与水压试验的锅炉受热面、汽机四大管道共计19 072道焊口无一渗漏，受到监理、业主的高度评价，尤其是陕西省电力质检中心站通过全面的检查，对焊接工作给予了高度赞扬：焊接质量保证体系完善，焊接施工管理一流，焊接工程整体质量优良。水压试验焊接完成工程量如表4所示。

表4 水压试验焊接完成工程量

4 施工经验总结

(1)气温低于－5℃时，普通钢结构焊接应采用低氢型焊条(E5015)，并且进行焊前预热及焊后缓冷。

(2)做好各项准备工作，如防风棚的制作、特殊加热片的配置等。

(3)防风措施应严格执行。如果风较大，则应在焊接量大、施工时间较长的区域周围采用彩钢板等搭设刚性固定防风屏。

(4)环境加热设备应选用功率较大、可调节式加热控制柜。热处理控温柜可作为环境加热控制柜。

(5)合金钢大管道应采用防风保温取暖措施，棚内环境温度一定要高于最低焊接温度才能开始焊接。

(6)焊条保温筒在现场应接通电源进行加热保温。

(7)低温下采用预热措施焊接的合金钢小管焊缝，按正常工艺进行热处理后硬度值可能偏高，此时可适当延长热处理恒温时间和减缓冷却速度来降低焊缝硬度。

(8)焊后热处理时，同样要采取防风、挡雪措施，同时，热处理保温的厚度和宽度也要增加。

5 成本投入和效益分析

在本次冬季焊接施工过程中直接支出的额外材料、设备、人工成本统计如表5所示。

表5 施工支出统计

从表5可以看出，冬季焊接施工直接增加施工成本约10万元，但是，从2006年11月中旬到2007年3月初，历时3个月，锅炉安装工作持续、顺利进行，如若这段时间停止施工，仅大型机具(250 t履带吊一台、DBQ3000一台)和60台电焊机闲置费就高达百万之多。更重要的是，在保证施工质量的前提下按时完成了工期任务，为工程的早日投产使用赢得了宝贵的时间，取得了可观的经济效益和社会效益。

6 结论

在高寒地区寒冷漫长的冬季，只要采取合适的防风保温取暖(预热)措施，完全可以进行锅炉受热面和汽机四大管道(既包括SA335P91钢种在内的各个等级的钢种)的焊接施工，并且能够获得可靠的焊接质量，时使工程建设得以持续进行，有效缩短工程建设周期，将产生巨大的经济和社会效益。

[1]赵恺，周善心.西气东输二线冬季野外焊接技术[J].电焊机，2009，39(5)：172－174.

Weld procedure during winter in cold zone

XU Fang-li，FANG Wei，YAO Ze-jun
(The No.2 Sichuan Electrical Power Construction Company，Chengdu 610051，China)

Measures for low ambient temperature of weld during winter in the thermal power plants which locat in cold zone，erect windbreak＆warming shelter and use auxiliary heater to create a smaller and more insulated space to provide various internal temperature for welding different steels.During heat treatment，properly widen heating belt，increase insulation thickness and constant temperature time and slow cooling speed.After welding，carry out NDT，hardness test，metallographical test and mechanical property test to ensure all weld seams are qualified.The measures can guarantee reliable welding quality even during winter，have considerable economic benefit and precious time for construction.

cold zone；weld；insulated shelter；auxiliary heating

book=8,ebook=82

TG441

B

1001－2303(2010)08－0078－04

2009－12－04

徐方利(1975—)，男，四川人，工程师，学士，主要从事火电建设焊接技术管理工作。