【摘要】锅炉汽包是一个体积大、质量大，几乎不能更换的关键受压部件，目前对在役锅炉汽包角焊缝的修复非常慎重。本文针对马电公司670t/h锅炉汽包角焊缝修复过程中的关键技术问题，研究了汽包防止变形的应力强度计算，汽包受力计算，汽包集中下降管受力计算及固定技术，汽包吊杆受力分析及热处理时温度控制技术，汽包位移、变形量的监控测量技术，分析了实际施工过程当中的难点和关键控制点。
【关键词】汽包；焊接缺陷；应力计算；变形；位移
1、研究背景及意义
本文以马电公司DG670/13.7—8型锅炉汽包角焊缝原始缺陷修复作为研究对象，针对修复过程中的关键技术问题，限于篇幅限制，仅研究了汽包防变形计算，受力计算，集中下降管受力计算及固定技术，汽包位移、变形量的监控测量技术，分析了施工过程当中的难点和关键点，为锅炉汽包角焊缝修复提供了重要的指导意义。
2、汽包角焊缝缺陷修复总体介绍
本次汽包角焊缝修复工程对与汽包连接的125根大管角焊缝（16根φ159×16的给水管、72根φ133×13汽水管道和20根φ159×16的汽水联接管、16根φ108×10的饱和汽引出管和1根φ133×10的事故放水管共125根大管管接头）进行了更换管座、重新焊接，对电站锅炉汽包进行如此大规模的现场修复在国内还属首例，修复工作技术难度大、标准要求高，没有现成的经验可供借鉴。
3、汽包预防变形应力强度计算、校核
汽包受力体系是锅炉所有受力当中最为复杂的体系，其连接着锅炉省煤器来水管、下降管、上升管、饱和汽引出管、事故放水管等大直径管道，受力计算不准确将会严重影响到锅炉的安全运行[1]。
3.1汽包及相连管道、附件的基本状况
汽包本体材料：BHW35，外径：1790mm，内径：1600mm，壁厚：95mm； 重量：95t；全长：21808mm。
集中下降管：材料：20G，规格：φ377mm×36mm，与汽包连接补强处规格：φ467mm×90mm，每根重量（含保温）：约10.0t。分散下降管：材料：20G，规格：φ159mm×16mm，每根重量（含保温）：约0.9t。汽包吊架：材料：SA675-70。规格：φ170mm；吊架中心距：14650mm。
3.2汽包吊杆受力
不考虑下降管重量时，吊杆受力：σ=15.5MPa。考虑下降管重量时，吊杆受力：σ=18.5MPa。
SA675-70强度等级接近于SA210C，高于我国的20G。以20G性能数据进行校核是倾于保守的。
20G钢在480℃时许用应力[σ]=38.0MPa，500℃时的最小σs=105MPa，σb=228MPa，600℃时的σs=100MPa，σb=127MPa。
在480℃温度下，吊杆受力σ≤[σ]；在600℃温度下，吊杆受力σ≤σs。因此在480℃温度及以下，吊杆是安全的，且不会产生塑性变形。
3.3集中下降管受力计算
汽包热处理过程中，下降管管座补强处温度600℃，规格：φ467mm×90mm。下降管规格φ377mm×36mm。下降管管座补强处（φ467mm×90mm）受力；下降管（φ377mm×36mm）受力20G材料600℃时的σs=100MPa，σb=127MPa。因此下降管的自重不会导致下降管产生塑性变形。
3.4汽包挠度计算
本汽包采用悬吊结构，两组吊架。因此将汽包作为简支梁计算其挠度。最大挠度位于汽包中心。
汽包重量F=9.5×105N；两吊架间距L=14.65m；600℃时BHW35钢的弹性模量E=1.66×1011Pa。根据以上条件计算得出，当不考虑下降管重量时，汽包中心挠度f=2.03mm；当考虑下降管重量时，汽包中心挠度f=3.59mm。
以上计算结果是在没有考虑汽包两端封头的影响，如果加上这方面的影响，则计算的挠度还会小一些。
4、汽包变形与位移的分析和控制措施
4.1汽包变形与位移分析
汽包修复过程中受焊接应力及热处理温度的影响，可能产生如下变形与位移：（1）纵向：由于膨胀，汽包将沿纵向伸长，根据计算，汽包端部将纵向伸长79mm；（2）垂向：汽包修复前的原始挠度为11.5mm，在600℃下汽包弹性模量降低，汽包原有部分弹性变形将会回复；吊杆受热后会伸长，汽包可能产生整体向下位移；焊接和热处理的不均匀温度场，会使汽包上曲或下挠；汽包周向膨胀也会使汽包产生垂直方向的位移；（3）横向：主要由于汽包的膨胀产生横向位移，联接管割除后与焊接中，由于汽包受力发生变化，汽包也会产生横向位移；（4）挠度变形：如果汽包在垂向方向上的变形不一致，汽包可能挠曲变形；（5）侧弯变形：在焊接应力的作用下，汽包可能会发生侧弯；（6）平移：受管接头割除和新管接头焊接的影响，汽包可能产生平移。
4.2控制汽包变形与位移的措施
导致汽包过大塑性变形的原因有：汽包膨胀受阻产生的拘束应力；汽包温差产生的温差应力；吊杆温度过高导致吊杆伸长产生塑性变形；焊接应力导致汽包横向弯曲。
修复中采取了以下措施：
（1）汽包附属管道加固
①为了减轻集中降水管的重量对汽包下挠的影响，设计了集中降水管加固装置。用砂轮机将加固装置和支撑梁两者的接触面打磨去除铁锈并涂上黄油，以减少集降管随汽包移动时的摩擦力。将加固装置搁置于的支撑梁上，每侧距支撑梁100mm。在加固装置不受力的情况下将腹板焊接于降水管管壁上。②汽包其它联接管加固。汽包其它管道固定型式采用多根管连锁固定，用倒链连接于炉顶钢梁上。
（2）清除汽包膨胀障碍；
①清除分散降水管与锅炉钢架之间的保温；②切断与汽包相连的热工管道；③割除水位计、安全阀管道膨胀方向上的固定卡。
（3）控制吊杆温度，加强吊杆冷却；
①汽包吊杆温度控制方法。热处理过程中，为控制吊杆温度不超过400℃，采取了以下技术措施：吊杆和垫板区域不保温，以加强散热；用锉刀、钢丝刷等清除吊杆、垫板上的杂物加强散热；加装冷却装置，对吊杆强制冷却。冷却管与吊杆采用管卡用螺栓固定，严禁在吊杆上焊接。运行时通过1台空压机提供压缩空气作为冷却介质。空压机与冷却装置连接的管路上设有调节阀，热处理时根据垫板与吊杆的温度，调节压缩空气流量，以控制吊杆的温度。压缩空气压力保持为0.4-0.6MPa。②热处理过程中汽包吊杆与垫板温度。为了监测热处理过程中吊杆与垫板的温度，左右侧吊杆与垫板上各装设了1只热电偶。吊杆热电偶位于汽包后侧5-6点钟位置，塞入与垫板的缝隙中。垫板热电偶位于垫板外弧面5-6点钟位置，用氩弧焊焊于垫板上。吊杆与垫板的温度设定曲线，观测得到的左右侧吊杆的最高温度分别为330℃、380℃，左右侧垫板的最高温度分别为370℃、350℃。
（4）合理安排焊接顺序。以汽包前后两个区间对称进行；每一排管接头焊接时，从汽包中间向汽包两端对称进行。
（5）控制热处理时的升降温速度，减小汽包内外壁温差、周向与纵向温差。
4.3对汽包变形与位移的监测和测量
（1）变形与位移的监测。为达到汽包变形与位移的监测的准确性，应装设多组位移监测装置，并且能够三向指示，相同位置监测装置不少于2点以备校核[2]。
本次汽包变形与位移的监测设置了10组汽包变形与位移监测点。在汽包炉前侧刚性梁上安装刻度牌，将刻度指针焊于汽包壁上。安装时，拉线使刻度牌零点位于同一水平线上，指针焊接点位于同一水平线上。
监测结果显示汽包变形、位移最大位移、残余变形分别为19mm、10mm，满足要求。
（2）汽包挠度、圆度及水平度测量
①汽包挠度测量方法。清除汽包表面杂物，将拉力螺杆焊于汽包两端刚性梁上，调整拉力螺杆，拉紧测量用钢丝绳；用简易水平仪、钢板尺测量钢丝绳两端及中部的高度差，计算出钢丝绳挠度；根据测量结果，计算出汽包挠度。②汽包水平度测量。简易水平仪调平，并标记；测量离基准点同一高度的水平差，即为汽包水平度。③汽包圆度测量。在汽包筒体内，用测量绳分别测量汽包上下、左右长度，然后用钢卷尺测量测量绳的长度；测量时，由同一组人完成，以保证测量绳的张紧度基本一致；同一截面的差值，即为汽包不圆度。④测量结果分析。汽包修复前后测量圆度差值最大4mm，挠度差值最大0.8mm，水平度差值最大2.3mm，均小于JB1609-93要求。汽包控制汽包变形与位移控制措施的设计、施工都很合理，从而保证了汽包修复后变形和位移都在允许范围之内。
5、结论
本文研究了670t/h锅炉汽包角焊缝修复过程中的关键技术问题，对汽包防止变形的应力强度进行了计算，对汽包受力进行计算，汽包位移、变形量的监控测量技术，经过本论文工作，可得到如下结论：
（1）详细了解锅炉汽包结构、原始资料、目前设备状况对汽包修复起到至关重要的作用。（2）在修复过程中汽包预防变形应力强度计算、校核是修复的基本计算，做到分析周到、方法正确、计算准确，可以使汽包修复后变形应力减小到最小值。（3）在汽包修复过程中采用合适的固定方法、合理的冷却方法可以减少变形与位移。