蒸汽管接管座焊缝失效的修复技巧

张小平，丁吉伟，梁艳东

（华润电力（常熟）有限公司，江苏常熟 215500）

0 引言

火力发电厂存在大量输送高温、高压蒸汽的中、大口径蒸汽管道，管道上分布着数量可观的温度测量、压力测量、疏放水、放空气等装置。每个装置都需要在母管上预留孔，用焊接的方式将其接管座固定在母管上。管道经过长期运行后，由于热膨胀、焊接缺陷、冷凝水倒灌等原因，导致部分接管座与母管的焊缝出现早期失效。这时需要挖除原来的焊缝、重新焊接。在挖除过程中，往往会造成母管上原来的管孔扩大，甚至会变得不规则，但温度、压力、疏水、放气的接管座规格不能发生变化。火力发电厂的主管道一般都是特制产品，整体更换制造周期长、成本高，因此，需要一种快速、经济的技术来修复失效的蒸汽管道管座。

着重讨论蒸汽管接管座早期失效后，尤其是当母管预留孔孔壁损坏、孔径发生变异后，利用焊接技术快速修复失效的管座，大大缩短管道修复时间，节省修复费用。

1 失效类型

蒸汽管与接管座常见的连接形式有2种：一是管座内径同母管预留孔孔径相等、在管座侧开坡口，进行焊接，这种连接方式是《火力发电厂焊接技术规程》（DLT 869—2012）表2汽水、仪表取样等接管座推荐的坡口形式[1]，也是近些年设计院、锅炉厂主要采用的设计方式（图1）；二是母管预留孔孔径在外壁侧扩大、带有坡口，预留孔一般为倒圆锥形，只在母管内壁侧留有一定厚度的钝边，这一结构常见于施工现场制作的中、低压蒸汽管道，在2000年前后锅炉厂、设计院也会设计此种接管座。

图1 蒸汽管与接管座2种常见的连接形式

常见的蒸汽管接管座焊缝损坏形式有3种：①接管座焊缝熔合线出现裂纹，未延伸到母管，在挖除过程中，只挖去了原焊缝，基本未损害母管预留孔孔径（图2a）；②接管座焊缝熔合线出现裂纹，并延伸到母管，在挖除过程中，损害了母管预留孔孔径，母管与接管座采用第二种连接方式时，早期失效表现形式为这种类型的概率较大（图2b）；③蒸汽管内壁出现裂纹，并呈放射状延伸，在挖除过程中，改变了母管预留孔孔径，母管与接管座采用第一种连接方式，且接管座位于蒸汽管道的正上方或正下方时，早期失效表现形式为这种类型概率较大（图 2c）。

图2 蒸汽管接管座焊缝损坏常见的3种形式

2 原因分析

（1）接管座与母管采用异种钢焊接材料。由于异种钢焊接接头存在材料成分、机械性能与物理性能上的差异，寿命周期大大低于同种钢接头，运行一定周期后极易发生早期失效。

（2）接管与母管之间结构不合理，膨胀受到限制，存在较大应力集中，焊缝极易发生金属疲劳而早期失效。另外，由于保温不良、接管座与母管存在较大温度差时，也同样会导致金属疲劳。

（3）蒸汽母管正上方的接管存在冷凝水倒灌，或者蒸汽母管正下方疏放水管排水不及时，母管内壁不停地受到低温水的冲击和冷却，该处温度交变剧烈，产生的热应力较集中，导致母管内壁金属发生疲劳，从而使母管在预留孔周围产生放射状裂纹。

其中，前2种原因导致的失效形式在厚壁管上的表现一般与图2a相同，在薄壁管和韧性较差的管道上也会出现图2b的失效形式。

3 修复前准备

使用便携式数字合金分析仪确认接管座、母管以及其连接焊缝的材料，并做好记录。选取合适的无损检测手段找出焊缝及其周边的失效缺陷，三者中如果存在奥氏体钢材时，选用着色检测，若三者均为铁磁性材料，宜选用磁粉检测。用手持式角磨机、电磨机、吊磨机、手电钻等工具，将原焊缝及超标缺陷清除。最后，利用前述的无损检测方法确认磨除后的部位已无缺陷，否则需重复检测和磨削步骤。

需要指出的是，确认原焊缝金属是否已经完全清除，常见的方法是采用硝酸酒精腐蚀，通过观察金属颜色变化来确认：低合金钢可用4%硝酸酒精腐蚀，高合金钢可用10%硝酸酒精腐蚀。

4 修复方案

一般来说，修复提前失效的蒸汽管接管座时，需将异种钢接管座更换为与蒸汽管相同材料，尽量减少异种钢焊缝。但是，受制造时间等客观因素制约时，也可以按原状修复，但要作好记录，当条件成熟时更换为同种材料。

在焊接修复前，均要按照相关标准和便于焊接施工的要求，重新修磨蒸汽管侧和接管座侧的坡口，坡口修磨好后，按照《火力发电厂焊接技术规程》《火力发电厂焊接热处理技术规程》（DLT 819—2010）[2]的规定选用合适的焊接、热处理工艺。焊接热处理结束后，按照修复前准备的要求，选择恰当的无损检测手段检测合格。下面对如何修磨坡口以及管座与母管如何组对进行详细说明。

（1）在缺陷挖除过程中，只挖去了原焊缝，基本未损害母管预留孔孔径时，只需将坡口清理干净，然后在管座与蒸汽管之间留焊丝直径大小的空隙，采用单面焊接双面成形的方式重新焊接。

（2）在缺陷挖除过程中，损害了母管预留孔外侧孔壁或者轻微损坏了预留孔内侧孔壁时，先用堆焊的方式将损坏的孔壁修复（图3），然后按照（1）描述的方法进行组对，重新焊接管座。

（3）管座形式为母管预留孔孔径在外壁侧时，在挖除缺陷过程中，严重损害了预留孔内侧孔壁，但最大直径不超过《水管锅炉受压元件强度计算》（GBT 9222—2008）中图18、图19确定的[d]值，无法在蒸汽管侧进行堆焊修复，但可在管座侧进行堆焊修复时：首先测量损坏的蒸汽管预留孔破坏后的孔径，画出形貌图，然后根据本节描述的方法选取合适的焊接工艺，用堆焊的形式在插入式管座上进行堆焊，堆焊层的厚度以（3～4）mm为宜，形状接近于损坏后的蒸汽管预留孔径最下层形貌。堆焊完成后的管座状如陀螺如图4所示，然后经过精细修磨，使堆焊后的裙边同最下层预留孔损坏的孔壁形貌之间有（1～3）mm的缝隙，随后采用单面焊接、双面成形的办法，焊接修复。需要注意的是，带有堆焊裙边的管座与蒸汽管组对时，裙边要同蒸汽管内壁基本等平面，其打底焊缝不允许存在未焊透、未熔合现象。在这个修复过程中，确保修复后蒸汽管内壁的形貌基本等同于原设计，只是用堆焊层代替了被挖掉的母材。

图3 修复前后的蒸汽管预留孔

（4）失效的形式为图2c描述的情况，在缺陷挖除过程中，严重损害了母管预留孔内侧孔壁，但最大直径不超过《水管锅炉受压元件强度计算》中图18、图19[3]确定的[d]值时，无法在蒸汽管侧进行堆焊修复，也无法在管座侧进行堆焊修复：可先用磁座钻将损坏的预留孔扩孔，使孔壁光滑，且成圆柱形，然后根据《水管锅炉受压元件强度计算》中第12章异形元件的计算方式，计算出合适的大小头加工图纸，如果可以取消该处管座的功能时，根据《水管锅炉受压元件强度计算》中第9章凸形封头的计算方式，计算出合适的封头加工图纸，然后按照本节（1）描述的方法进行组对，重新焊接管座。

（5）在缺陷挖除过程中，严重损害了母管预留孔内侧孔壁，最大直径超过了《水管锅炉受压元件强度计算》中图18、图19确定的[d]值时，则无修理价值，建议报废。

图4 堆焊完成后的管座

5 结论

（1）绝大部分蒸汽管与接管座之间的焊缝出现早期失效后，可以通过焊接的方式快速修复，不需要重新更换成品蒸汽管件。

（2）堆焊修复时，不仅仅在母管侧堆焊，还可以在接管座侧进行堆焊。

（3）蒸汽管预留孔破坏后，既可以用堆焊接术修复，也可以扩孔，选用合适的异型管组对快速修复。

（4）蒸汽管与接管座设计时，需要注重预防因结构受限、保温不良、异种钢接头等因素造成的早期失效。