1000MW超超临界空冷机组厂房钢结构焊接工艺

宁夏电力建设工程公司 （银川 750001） 韩道永

1.概述

宁夏灵武电厂二期（2×1000MW）超超临界机组燃煤空冷发电机组工程为世界上首座1000MW级空冷发电机组，其主厂房采用钢结构，即汽机房、除氧间、煤仓间形成双框架，炉前平台与锅炉钢架之间结构采用滑动连接。主厂房屋盖采用32m跨双坡实腹工字钢梁结构，屋面采用压型钢板承重。

主厂房钢结构按7排12列布置，纵向为7排，分别为A、1/A、2/A、3/A、B、C、D轴线，A、B轴钢柱为焊接H型钢，沿高度方向分3段，第一段至第三段立柱对接处H型钢腹板为扭剪型高强螺栓联接，翼缘板为焊接。C、D轴钢柱为箱型柱，沿高度方向分6段，第一段至第五段立柱之间拼接处为焊接。

2.焊接内容及特点

（1）主厂房钢结构焊接内容 首先，立柱与立柱间焊接：立柱主要由箱型立柱和H型立柱组成，箱型立柱分布在C、D轴线上，共五层，每层之间连接方式为焊接，焊缝共计96道。H型立柱分布在A、B轴线上，共三层，每层之间连接方式为腹板螺栓联接，翼板为焊接，焊缝共计48道。

其次，连梁与立柱焊接：C、D轴之间的连梁和立柱之间的连接方式采用焊接方法。另外，斜撑与横梁焊接、加强筋板与立柱和横梁焊接、平台牛腿及栏杆焊接等。表1为箱型立柱对接焊缝、H型立柱对接焊缝。

（2）焊接特点 ①主厂房钢结构主要接头形式为箱型柱对接、H型立柱对接。柱接头几何尺寸大，H型钢翼板达到1300mm，箱型柱的长边达到1400mm，立柱钢板厚度均超过45mm，最大达到55mm。②柱接头均为高空组对焊接，操作空间狭小，焊接作业条件复杂，且为冬季焊接，防风、雨、雪困难大。③焊接质量等级要求高，焊接条件差、难度大。④焊接接头服役条件差。

表1 箱型立柱对接焊缝、H型立柱对接焊缝

3.焊接工艺评定

在正式焊接之前，首先进行焊接工艺评定试验。根据箱型柱接头的材质、规格，选取规格为420mm×400mm×40mm、材质为Q345B的钢板，分别进行了横焊、仰焊、立焊三个焊接位置的焊接试验，以确定焊接方法、焊接材料、焊接参数等，并对焊接接头分别进行了室温拉伸、弯曲、冲击等试验，均符合规范要求。表2～表4为横焊位置焊接接头力学性能试验数据。

经上述试验结果分析，焊接接头满足规范要求。

表2 拉伸试验结果

表3 弯曲试验结果

表4 冲击试验结果

4.焊接工艺及技术

（1）坡口制备及组对要求 第一，采用V形坡口，立柱与立柱之间坡口尺寸如附图所示。

注：α=20°～25°； b=2～5mm；p=1～2mm。

第二，坡口应保持平整无毛刺，不得有裂纹、夹层、夹渣等焊接缺陷。

第三，坡口表面及每侧应将水、铁锈、油污和积渣等清理干净，清理范围：①焊条电弧焊的对接焊缝为10～20mm。②对焊脚尺寸为K+（10～20）mm。③根据焊接方法、坡口放置时间和放置环境，必要时采取防腐措施。

第四，焊件对接允许对口错位如下：①一级焊缝：10%的板厚且≤2mm。②二级焊缝：15%的板厚且≤3mm。③三级焊缝：20%的板厚且≤4mm。不同厚度焊件对口错位允许值按薄板。

（2）焊接方法 采用焊条电弧焊，两人对称、多层多道焊接。

（3）焊接材料 选用E5015焊条，φ3.2mm或φ4.0mm。

（4）焊前预热 采用火焰加热，预热温度为80～100℃，预热区域应在焊接坡口两侧，宽度各为焊件施焊处厚度的1.5倍以上，且≥120mm，预热温度均匀。

（5）焊接 焊接参数如表5所示。具体焊接过程如下：第一，定位焊必须由持相应合格证的焊工施焊，所用焊接材料应与正式施焊相当。定位焊焊缝应与最终焊缝有相同的质量要求。

第二，钢衬垫的定位焊宜在接头坡口内焊接，定位焊焊缝厚度不宜超过设计焊缝厚度的2/3，定位焊焊缝长度应＞40mm，间距宜为500～600mm，并应填满弧坑。定位焊预热温度应高于正式施焊预热温度。当定位焊焊缝上有气孔或裂纹时，必须清除后重焊。

表5 焊接参数

第三，多层焊时应连续施焊，每一焊道焊接完成后应及时清理焊渣及表面飞溅物，发现影响焊接质量的缺陷时，应清除后方可再焊。遇有中断施焊的情况，应采取适当的后热、保温措施，再次焊接时重新预热温度应高于初始预热温度。

第四，在连续焊接过程中应控制层间温度，使层间温度控制在80～250℃，焊接过程中使用温度测温仪进行监控。当焊缝焊接温度低于或高于要求时，立即采取加热或停焊的方式，待层间温度达到施焊条件后再行焊接。

第五，坡口底层焊道采用焊条电弧焊时宜使用≤3.2mm的焊条施焊，底层根部焊道的最小尺寸应适宜，最大厚度≤4mm。

第六，焊接变形的控制：①对长焊缝采用分段退焊法与两人对称焊接法同时运用。②宜采用跳焊法，避免焊接件局部加热集中。③焊接过程中采用较小的焊接参数进行焊接。

第七，焊后消除应力处理：①安装焊缝采用锤击法消除焊接应力。②用锤击法消除中间焊层应力时，应使用圆头手锤或小型振动工具，不应对根部焊缝、盖面焊缝或焊缝坡口边缘的母材进行锤击。③采用分层锤击，每焊接15mm厚锤击一次，锤击时用力均匀。

（6）热处理工艺 ①箱型钢柱、H型钢柱对接焊缝焊后立即进行后热处理。②加热方式：柔性陶瓷电阻加热。③恒温温度200～250℃，恒温时间2h。④热处理的加热宽度，构件焊缝每侧面加热板的宽度不小于钢板厚度的3倍，且≥200mm。⑤加热板以外构件两侧采用保温棉覆盖，每侧不得小于钢板厚度的5倍，以减少温度梯度。⑥若现场电加热难以满足要求，应采用火焰加热进行处理，采用远红外测温仪测温，停止加热后立即用保温棉包裹缓慢冷却。

5.焊接检测

（1）焊接接头外观检测 焊工本人应对所焊接头进行外观检查。焊接质量检查人员对钢立柱及主梁的焊接接头100%进行检测，必要时应使用焊缝检测尺或5倍放大镜，对经打磨修复的外观超标缺陷应作记录。

（2）焊接质量检测 检查人员应根据图样要求对焊接部件进行宏观尺寸检测。对重要部件应在焊接过程中监视焊接变形，并在焊接及热处理完成后进行最终尺寸检查。

（3）焊接接头无损检测 H型立柱及箱型立柱对接焊缝做100%超声波检测。一级焊缝应进行100%的检测，其合格等级执行国家标准GB 11345《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》B级检测的Ⅱ级及Ⅱ级以上。

6.结语

（1）采取焊前预热、两人对称才多层多道焊接及焊后热处理，成功地解决了1000MW空冷机组主厂房钢结构大型箱型柱、H型柱对接焊接的难题。

（2）通过焊前预热、锤击、后热等技术手段，有效降低了焊接残余应力。使焊接变形得到了有效的控制，立柱垂直度数据达到优良标准。

（3）柱对接接头焊缝全部通过验收，经自检和第三方检测，焊缝合格率100%。

机组自2011年4月投入运行以来，柱接头焊缝及主厂房钢结构均无异常。