锅炉锅筒的焊接结构设计及工艺设计

课题的引入一、课题研究的意义锅炉是国民经济中重要的热能供应设备。电力、机械、冶金、化工、纺织、造纸、食品等行业,以及工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的热能。因此，锅炉在现代社会中应用十分广泛，按用途其可分为：电站锅炉、工业锅炉和热水锅炉。其中热水锅炉主要用于发电；工业锅炉主要用于生产工艺用汽或供暖；热水锅炉主要用于民用供暖或供热。一台完整的锅炉机组主要是由本体设备和辅助设备组成。其中本体设备包括：炉腔、燃烧器、空气预热器、省煤器、水冷壁、锅筒（汽包）或启动用汽水分离器、过热器、再热器等；辅助设备包括：给煤机、磨煤机、送风机、引风机、吸尘机、给水泵、碎渣机、除尘器、灰浆泵。锅筒是锅炉诸多设备中最重要的之一，它的重要性由其在锅炉工作过程中所发挥的作用性决定。大体上讲锅筒的作用主要有四点：第一，锅筒是加热、蒸发、过热三个过程的链接枢纽和大致分界点；第二，锅筒具有一定的蓄热能力，能较快适应外界负荷变化；第三，锅筒的内部装置可以提高蒸汽品质；第四，锅筒的外界附件保证锅炉安全。同时我们结合以前锅炉破坏的例子发现，锅炉事故的发生以及锅炉的破坏大多是发生在锅炉锅筒焊接的焊缝处，正因为如此，所以锅炉锅筒的焊接结构设计以及工艺设计就显得十分必要，十分重要！就本文而言只针对锅炉锅筒的焊接的结构设计及工艺设计展开研究。二、国内外锅炉的发展状况2.1国内发展锅炉在工业生产中有着广泛而重要的应用，锅炉的设计参数和掌机容量往往可以反映一国的工业生产水平和发达程度。回顾我国的锅炉发展历史，我们发现锅炉的发展是随着我国经济的发展而迎来了大发展的。尤其在我国电力发电中占据主导地位，而锅炉效率的提高是解决能源、资源紧张以及环境污染的主要途径之一。党的十六大报告中明确提出我国电力发展的目标，并确立了我国电力结构调整方针，即“调整电源结构，大力发展水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电”。因此本着优化发展燃煤发电的方针，近年来各种锅炉技术的发展突飞猛进，如大容量、高参数和高效率的超临界和超超临界锅炉，大型环保、清洁燃烧的锅炉，以及蒸汽燃气联合循环锅炉。（1）大型超临界、超临界锅炉火电机组的发展（2）大型循环流化床锅炉（CFB）机组的发展随着技术的发展，类型为300、500、600、800MW的亚临界和超临界参数大容量发电机组的制造，表明我国的锅炉已经发展到了世界先进水平。最近几年在企业的技术改造上投人了巨大的资金，如新疆天山锅炉厂、芜湖锅炉厂、南通锅炉厂、上海工业锅炉厂和四方锅炉厂等。2.2国外发展20世纪50～60年代，超临界锅炉技术就得到运用。20世纪50～60年代，超临界锅炉技术就得到运用，但当时超临界的锅炉过热器、再热器、主蒸汽管等高温部件，均大量采用奥氏体不锈钢材料。该类锅炉运行中往往带来材料高温蠕变、燃用高硫燃料后的高温腐蚀、高温蒸汽氧化、奥氏体材料传热慢等问题，不同程度地制约了超临界锅炉地发展。近年来，日本、美国和欧洲均开发了一系列高温用钢，如SA213T23/SA335P23、SA213T24/SA335P24、SA213T91/SA335P91、SA213T92/SA335P92、SA213T122/SA335P122、E911、SUPER304H、SA213TP347HFG和HR3C等材料。这些材料地开发大大促进了超临界和超超临界锅炉的发展，同时锅炉技术的发展需要又进一步促进新材料的开发，如日本进一步开发适用于650℃锅炉蒸汽参数的材料如XA704、NF709、SAVE25等，欧洲正开发适用于700℃锅炉蒸汽参数的镍基材料。总体来说锅炉的发展在朝着超高参数和自动化方向发展。（值得一提的是，由于技术的进步作为锅炉核心部件的锅筒将消失，但是目前来看，大部分锅炉依旧保留锅筒。（再查资料））而由于锅筒是锅炉中非常重要的部分，锅炉的发展也在很大程度上仰仗了锅筒的结构设计及工艺设计。三、锅炉的认识3.1锅炉的类别锅炉的应用广泛，按其用途可分为：动力锅炉和供热锅炉两大类。动力锅炉是用来产生高温高压蒸汽推动汽轮机或其他原动机，如电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等。供热锅炉是用来产生蒸汽和热水，供工艺生产过程的需要，如印染、纺织、橡胶生产以及各种采暖装置，其所使用的蒸汽锅炉和热水锅炉，统称为工业锅炉。供热锅炉的工作压力通常不超过1.1MPa,温度不超过120℃。目前我国的工业锅炉在结构设计上已经形成典型的结构，其他各项性能指标也在不断的提高。3.2锅炉的典型结构形式按锅炉的总体结构布置，可将锅炉分为火管锅炉和水管锅炉两大类。其中火管锅炉又被称锅壳式锅炉。这类锅炉均为压力低于1.1MPa的小型低压锅炉，其热效率很低，并逐渐被水管锅炉所淘汰。水管锅炉的结构主要由锅筒、省煤器、空气预热器、水冷壁和对流管束等组成。3.3锅筒的结构锅筒是水管锅炉最重要的受压部件之一。按照锅炉的容量，锅炉的工作压力可以从0.4MPa到20.0MPa,工作温度最低为142℃，其最高达364℃.由于锅筒的直径和容积都比较大，一旦破裂将释放出巨大的能量而导致灾难性的事故。这就要求锅筒的选材、设计、制造和检验必须严格符合相应的规程，确保锅炉运行的安全可靠。锅筒由筒体、封头、下降管和接管等部件组成。筒体按其长短由若干筒节组焊而成。筒体通常采用钢板卷制或压制成形，并由一条或多余纵缝连接成整体。封头可采用冷冲压、热冲压或旋压成形制成半球形、椭圆形和蝶形。并通过全焊透环缝与筒体相接。下降管管接头与筒体的连接，由于接头的拘束度较大，焊接残余应力较大，受力状态较复杂且应力集中系数高，故应采用全焊透接头形式。对于直径小于133mm的接管允许采用局部焊透的接头形式，但破口的形状和尺寸必须保证足够的焊缝厚度。锅筒钢材和壁厚取决于锅筒的工作压力和使用温度。四、锅筒的结构设计本文以水管锅炉中的高压锅炉为例，其锅筒中的结构有：筒体、封头、下降管和接管等部件组成。如图：图1（其中A、B、C、D代表4种焊缝；1代表下降管、给水管等大直径管口；2指筒节；3指封头；4指封头入孔；5是小直径的密排管接口）4.1锅炉用钢锅炉运行条件对钢性能的的影响很大。锅炉受压部件运行时，可能同时受到下列三方面的作用：①高温---各部件被加热到350~650℃不同的温度区间；②高应力---受压部件内壁应力集中部位的应力可能接近材料在该温度下的屈服温度；③腐蚀作用---受压部件内壁或外壁长期与水、蒸汽和烟气等腐蚀介质接触；锅炉受压部件长期在以上的工况下工作，在不利条件的综合作用下，可能最终导致受压部件的提前失效。据此，锅炉用钢应该满足下列性能的要求：⑴蠕变金属在高温和应力同时作用，不断产生塑性变形的现象。对实际锅炉受压部结构，允许产生一定量的累积蠕变变形而不致引起蠕变失效。各国现行的锅炉设计规程容许的蠕变变形量【εa】=1%。在给定的工作期限和温度下，引起蠕变变形1%的应力称为蠕变限。高温元件的工作应力低于蠕变限，即能使其运行安全。⑵高温氧化锅炉受热面管件中，主要是过热器管与烟气接触时，高温氧与管子表面层起化学作用，产生高温氧化现象。在氧化的过程中，金属表面生成氧化膜，如氧化膜与管子表面的金属结合不牢固，则会不断脱落，减薄管子壁厚，使承载强度下降。⑶蒸汽腐蚀与氢蚀蒸汽与高于400℃的铁接触会产生如下化学反应：3Fe+4H2O→Fe4O3+4H2反应结果在金属表面形成磁性氧化铁膜，即产生所谓的蒸汽腐蚀现象。同时腐蚀过程中产生的氢原子如未能被蒸汽带走，则可扩散到金属内部并滞留在晶界与碳发生反应，形成CH4。所产生的在晶间不断积聚而形成高压，导致晶间开裂，结果使材料变脆。严重时会使材料表面鼓包或出现宏观裂纹。因此，对于温度高于500℃的过热管件应采用Cr、Mu含量较高的低合金钢耐热钢制作，以提高其抗蒸汽腐蚀的能力。因此锅炉用钢钢种必须具有较高的蠕变强度、良好的常温和高温塑性、较高的抗应变时效能力、良好的加工性、优良的焊接性能及良好的抗腐蚀能力。查阅国家标准GB713-1997《锅炉用钢板》可以得到常用的在大容量锅炉制造中已广泛应用的钢种，如19MnG、22MnG、13MnGNiMoNb、和12CrMoVG等。4.2锅筒用钢的选择锅筒钢材和壁厚取决于锅筒的工作压力和使用温度。如下表列出了我国常用的锅筒钢种、壁厚范围、抗拉强度和使用温度的等级。锅筒用钢种及厚度范围和使用温度，如下表：锅炉类型锅筒钢种抗拉强度/MPa壁厚范围/mm使用温度/℃中低压锅炉20G≥40016~60≤320中压锅炉22MnG≥51525≤400中压锅炉16MnG≥44016~150≤400高压、超高压锅炉19MnG≥48016~150A299(ASTM)≤40015CrMoG≥45016~100≤450超高压锅炉13MnGNiMoNb≥57050~150≤450根据高压锅炉的工作环境，选择使用的钢种为15CrMoG。4.3锅筒焊缝金属性能的基本要求锅筒与其他焊接结构不同，它是受压全焊结构，其焊接接头承受着与受压壳体相同的各种载荷、温度、和工作介质的物理、化学作用，不仅应具有与壳体材料基本相等的静载强度，而且应具有足够的塑性和韧性，以防止这些受压部件在加工过程中破裂。此外，接头应该具有抗工作介质腐蚀的性能。对15CrMo钢焊接的基本要求：（1）接头的等强性15CrMo钢焊接接头不仅应具有与母材金属基本相等的室温和高温和高温短时强度，而且适应具有与母材金属相当的高温持久强度。（2）足够的抗氧化性15CrMo钢焊接接头应具有与母材金属基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。为此，焊缝金属的合金成分和含量与母材基本相等。（3）组织的稳定性15CrMo钢焊接接头在制造过程中，尤其是厚壁接头将经受长时间的多次热处理，在运行过程中将经受长期的高温高压作用。在这些长时的热作用过程中，接头各区不应产生降低高温持久强度的组织变化，以及由此引起的脆变和软化。（4）抗脆断性由于15CrMo钢长用来制造压力容器和管道，在设备受压检修后，都要经历冷启动过程。因此15CrMo钢焊接接头亦应具有足够的抗脆断性[3]4.415CrMo钢的焊接性分析金属焊接性是金属材料对焊接加工的适应性。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度金属焊接性分为工艺焊接性和使用焊接工艺焊接性是指特定的材料在指定工艺条件下形成优质焊接接头的能力；使用焊接性是指形成的接头适应使用要求的程度，两者都是材料在焊接过程中力学和冶金行为发展变化的结果。随着新的焊接方法的不断涌现，材料制造工艺的不断完善和新材料的出现，以及生产应用对结构越来越高的性能要求，有关金属焊接性的研究日趋显出其重要的地位。钢材的焊接性主要取决于它的化学成分，随钢材强度级别的提高，其焊接性变差。焊接性变差一般表现在两个方面：一是焊接过程中焊缝熔敷金属的各种冶金缺陷；二是焊接过程中材料性能的变化。4.4.115CrMo钢的化学成分及性能珠光体耐热钢的含Cr量一般为0.5%～9%，含Mo量一般为0.5%或1%。随着Co、Mo的增加，钢的抗氧化性、高温强度和抗硫化物腐蚀性能也都增加。在Co-Mo钢中加入少量的W、Ti、Nb等元素后，可进一步提高钢的热强性。15CrMo钢属Cr-Mo合金系统，为低碳珠光体热强钢，其国标成分和试验中试板成分见下表1。表115CrMo钢的成分(质量分数)%名称CSiMnCrMoSP15CrMo（国标）0.12～0.180.17～0.370.40～0.700.8～1.10.40～0.55≤0.04≤0.04合金元素Cr能形成致密的氧化膜，提高钢的抗氧化性能。当钢中Cr＜1.5%时，随Cr的增加钢的蠕变强度；Cr≥1.5%后，钢的蠕变强度随含铬量的增加而降低。Mo是耐热钢中的强化元素，弱碳化物元素，Mo优先溶入固溶体，强化固溶体。Mo的熔点高达2625℃，固溶后可提高钢的再结晶温度，有效地提高钢的高温强度和抗蠕变能力。Mo可以减小钢材的热脆性，还可以提高钢材的抗腐蚀能力。钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力比Cr和Mo高，否则V的碳化物高温下聚