TIG焊接技术在发电厂检修焊接中的推广应用

HEATS

一、概述

    机组承压部件及管道焊接质量的优劣是影响发电设备安全运行的关键之一。 现场中的管道，多数直径较小，无法进行双面焊，如何确保焊缝的质量，是一个关键问题。2000年以前对于薄壁管道焊口的对接焊缝，一般采用氧乙炔气焊、焊条电弧焊、根部衬垫圈焊条电弧焊及钨极氩弧焊进行焊接，当时由于焊工技术水平的局限，加之焊工的畏难抵触情绪及受焊接位置及操作空间限制等种种原因，TIG焊接新技术的推广应用遇到阻力，承压部件及管道泄漏事故频繁发生，严重威胁到机组的安全稳定运行。

    2000年小修时高再换管64个对接焊口，采用氧乙炔气焊，气焊焊口在机组运行1个月中连续发生3次泄漏事故，原因是采用氧乙炔气焊焊接的受热面管子，热量不集中，接头热影响区大，过热严重，塑性及韧性差。若焊工操作不当，火焰撤离熔池的速度过快，还容易产生缩孔。因此，锅炉运行时，往往在受热面管子气焊焊口的接头处出现渗漏。此类事故在以前的受热面管的焊接中已发生多起，为此，对4种焊接方法试验比较，结果表明其中TIG焊接技术优越性最大。故决定从2000年8月开始，遵循制定焊接工艺的原则，对锅炉受热面管子检修焊接尝试性采用TIG全氩弧焊接技术，焊口无损检测一次合格率达95%以上，应用中收到满意效果。因此，在之后的4年时间里逐步推广应用到传输汽、水、油、气等介质的承压管道部分，效果十分明显，6年来，由于焊接质量发生的受热面“爆管“事故下降了100%，确保了机组的安全、稳定长周期运行。

    鉴于此，TIG焊接技术作为一种焊接新技术和新工艺，在焊接金属材料方面有得天独厚和无可替代的优势，具有重要的技术和经济价值，这种焊接技术应在电站检修安装焊接中引起更多重视和获得更大发展。

    二、管道焊接技术发展概况及现状

    电力系统各发电企业在安装及检修锅炉时，对于这类小直径的薄壁管，从建国前到20世纪70年代，普遍采用氧乙炔气焊，部分采用焊条电弧焊。锅炉制造厂对于这类焊口，除部分采用接触焊外，也大量采用氧乙炔气焊及焊条电弧焊。采用氧乙炔气焊焊接锅炉受热面管子，热量不集中，接头热影响区大，过热严重，塑性及韧性差。若焊工操作不当，火焰撤离熔池的速度过快，还容易产生缩孔。因此，锅炉运行时，往往在受热面管子气焊焊口的接头处出现渗漏。

    三、TIG焊接技术的优点

① TIG焊的金属材料在品种和数量上实际上是不受限制的，它们在形状和形式、面积和其它尺寸、结合强度和使用性能上有许多特点，这一切决定了TIG焊接技术在金属材料的焊接中有许多卓越成效的应用。
②Ar是最稳定的惰性气体之一，保护效果好。气保护代替了渣保护，焊缝干净无渣。惰性气体氩在熔池和电弧周围形成一个封闭气流，有效的防止外界有害气体的侵入,从而获得高质量的焊接接头。
③ TIG焊电弧受氩气流的压缩和冷却作用,电弧集中，可保证焊缝根部焊透，接头热影响区小,焊件变形及裂纹倾向小。特别适用于焊接空淬倾向大的钢材。
④ Ar不溶于金属，不与金属发生反应，故一般不会出现合金元素烧损。TIG焊缝特别纯净，所焊管子接头管内无焊渣。焊缝质量比氧乙炔气焊及焊条电弧焊都好。
⑤ 明弧焊接，熔池清晰可见，操作容易掌握，易实现自动化。
⑥氩气流对焊接区域又冲刷作用，使焊接接头冷却速度加快，可以改善接头的组织和性能，并能减少焊件焊后残余变形。
⑦Ar是单原子气体，热容量小，导热效率低，热量消耗少，对电弧稳定燃烧十分有利，即使在小电流和长弧的条件下，电弧仍很稳定，操作方便，焊缝质量容易控制，适用于小径管子难焊位置的全位置焊接。
由于TIG焊焊接质量好，操作容易，近几年来，已成为各发电企业在安装及检修锅炉时焊接受热面管子的常用方法。在现场检修条件下，受焊接位置及操作空间限制，普遍采用的工艺方法是TIG焊打底焊条电弧焊盖面或采用TIG全氩弧焊。

    四、承压管道的焊接

    电力系统各单位焊接承压管道，过去主要采用焊条电弧焊打底并盖面的对接方法，容易产生根部未焊透、夹渣等缺陷，对机组安全运行威胁很大。电力系统曾多次发生焊口折断、爆破事故，分析事故原因，多与焊缝根部严重未焊透有关。近几年来国外的电站机组在施工焊接中，对焊口一律要求全部焊透。在我国，已在电力系统推广应用于焊接高压机组的主汽、主给水、再热段、冷段、联箱管座及汽机系统管道。

  1、管道焊口的TIG焊接技术

①焊接设备及器具：焊接电源、焊枪、供气系统、冷却系统及焊接控制系统等部分。
② 电源：TIG焊接电源有交流和直流两种。交流电源用于焊接铝及其合金、镁及其合金。焊接碳钢、合金钢、钛及其合金、铜及其合金均采用直流电源。
③ 焊枪：TIG焊焊枪由喷嘴、钨极夹、导线、气管、水管、控制钮等组成，它起着夹持电极、传导电流、输送氩气及控制整机工作系统的作用，焊枪有自冷式和水冷式两种。

2、 焊接材料:钨极氩弧焊所用材料包括钨极、氩气及填充材料。

①钨极:常用钨极有铈钨极和钍钨极。
②Ar:Ar中或多或少地含有02，N ，CO：及水分等杂质， 对Ar保护的效果有一定的影响。所焊金属材料化学性质愈活泼，影响愈大。焊接不同的金属，对Ar纯度的要求是不同的。
③ 填充材料:钨极氩弧焊用的填充材料有焊丝和可熔环两种。
a、氩弧焊焊丝: 管道焊口打底焊推荐采用Ø2.5 mm焊丝。对于管壁特别薄的小直径管子也有用Ø2.0 mm焊丝的。
b、可熔环有蘑菇状及矩形两种。管道焊口打底焊时，装配于对口间隙中，经钨极电弧加热熔化与两侧坡口焊合在一起形成打底焊缝。3、 焊接工艺 - L! B& {) w; t0 \. [# a( v

要获得优质的打底焊缝，除应经常保持焊接设备处于正常状态及选用合适的焊接材料外，还需要采取合理的工艺，并由技术水平较高的合格焊工进行操作。 2 J* X( F' c) e" A- R

① 挡风及清洁要求

氩弧焊接场所必须要有可靠的挡风措施，并防止管内穿堂风， 以免影响保护效果。填充材料及管口内外侧10-15mm范围内的油、污、铁锈等杂物应清除干净，直至露出金属光泽。必要时，可用丙酮清洗.

② 焊口内壁充氩保护

对低碳钢及低合金热强钢管道焊口进行氩弧焊打底时，管内可以不充氩保护；而对于高合金热强钢及奥氏体不锈钢管道焊口，则必须充氩保护。充氩有两种方式：一种是整条管道充满氩，适用于直径很小的管子，如不锈钢取样管。直径较大的管道通常采用可溶纸或安装活塞于焊口两侧管子内，形成一个小气室仅在气室内充氩。为防止氩从对口间隙中大量泄漏，焊前需在间隙中嵌入一圈石棉绳或粘上一圈胶带，焊接过程中随时将有碍施焊的部分扯去。打底焊结束时，迅速拔出氩气管并补好洞眼。作为气室壁的可溶纸在焊口热处理时被烧成灰烬，水压试验后随水排除。内壁充亚气流量随气室大小及漏气程度而变化，以达到既保护良好，又不致因流量太大而引起焊缝内凹为宜。

③ 坡口形式及尺寸

坡口形式尺寸及管端装配间隙对焊缝的质量及根部裂纹倾影响很大。常用坡口形式有v形、U形、双v形等， 管端装配留有一定间隙。  + ?# \. @) G) M1 Y0 Y5 Z0 Y( I2 T$ ]

④ 钨极端部形状 4 w P. @0 Y$ D7 ?, C; M+ f

钨极端部形状对电弧稳定和焊缝成形都有很大影响，较为理想的形状是钨极末端磨成钝角或带有平顶的锥形。这样可以使电弧燃烧稳定，弧柱扩散减少，对焊件的加热集中。钨极端部不应磨得太尖，以免碰断造成焊缝夹钨缺陷。 ( J. b* ^' ?8 V

⑤ 焊口装配点焊

管子焊口一般采取夹具装配，并在根部点焊固定。对水平焊口，直径≤60mm的管子可只在平焊位置点焊1处，长度约l0—20 mm；直径>159 mm 的管子，一般在平焊及立焊位置点焊3处，焊点长约30～50 mm。垂直焊口的定位焊点数与水平焊相同，点焊位置根据具体情况确定。所用焊丝、焊接工艺以及对焊工技术水平的要求均与正式焊接时相同。

⑥焊前预热 " Q0 N4 O8 _: ?6 v9 T: @6 t5 @

氩弧焊焊缝比较纯净，并且低氢，一般可以不预热，但是在冬季施工或厚壁管件焊接时若不预热，可能在打底焊缝上产生裂纹。可视直径或壁厚不同选定预热参数。 ' q8 K1 J1 C. V3 R* g, V

⑦始焊及停焊

始焊时需提前送氩，停焊时则需滞后断氩，以保护焊缝免受周围空气侵害。引弧要在坡口内进行。采取接触法引弧时，操作要稳、轻、快，防止钨极端部烧损碰断而产生夹钨现象。停焊收弧时要多加些焊丝，填满弧坑。将电弧引至坡口边缘再熄弧：收弧和接头处质量往往较差，焊接过程应尽量避免停弧、减少接头数量。 9 ^& z! l* o8 `8 a

⑧ 填丝操作方法

内填丝操作法，就是焊丝从对口间隙伸入管内，电弧在管外坡口上燃烧，焊丝在管内熔化，整个焊接过程分段进行。该操作方法有两个优点：一是打底缝背面均匀地略为凸起，仰焊部分不会出现内凹；二是特别适用于锅炉密排管困难位置焊接。但操作时，要求对口间隙大，采用 Ø2.5 mm 焊丝时，间隙达3 mm 以上，填丝量较大，焊接速度相应地慢些。

外填丝法焊接时，焊口装配间隙较小，操作要求稳且快对于小直径厚壁管， 间隙等于或稍小于焊丝直径，操作时焊枪基本上不做横向摆动。对于大直径厚壁管，间隙稍大于焊丝直径，操作时焊枪摆动。在操作熟练的情况下，打底焊缝背面成形也很均匀，并且仰焊部位不内凹。这种操作法的优点是填丝量较少，焊接速度快。但对于焊接位置特别困难的锅炉密排管焊口，有时外填丝操作相当困难，则宜采用内、外填丝相结合的方法进行焊接。焊接锅炉排管时，管间部位质量最难保证，一般由两名焊工对称施焊。 3 k6 V, ?1 h4 }

4、 其他注意事项 / q9 s3 f6 [: k- n- I7 ^

① 焊接过程中一切主要受力的对口器具不许拆除，以免外力使打底焊缝开裂。

② 打底焊即将结束时，应仔细观察焊缝背面成形情况，发现问题及时处理。整圈打底焊结束后，应进行外观检查，必要时进行磁粉探伤或着色检查。检查合格后及时进行焊条电弧焊盖面，防止产生裂纹。 - D5 O+ X$ `4 s7 e* b

③ 氩弧焊打底焊缝比较薄，因此，后续的第l层焊条电弧焊应采用小直径电焊条。

    五、结语 ! C# u. V0 W5 ?3 P3 Z0 y" V; H! B/ Y

应用TIG焊接工艺，可以解决焊缝底部未焊透问题， 提高焊缝无损检验一次合格率，有效地保证焊接质量，应用效果理想。在电站安装及检修中值得应用、推广。 & T4 T4 y# _$ ~" C