回火焊道技术在含缺陷或损伤部件修复中的应用

0 前言

焊接修复工程中，存在着一种含缺陷或损伤部件修复的情况，即修复时部件缺陷或损伤不能完全被清除。对于这种情况下的修复，其焊后热处理(Post Weld Heat Treatment，PWHT)的使用与工艺更为苛刻。不恰当的PWHT，可能导致缺陷扩展或损伤加剧，严重影响修复接头的使用性能。如文献［1］报道，存在疲劳损伤的45钢，当在400℃，500℃和700℃回火时，材料的疲劳损伤不仅未得到恢复，反而出现累积疲劳寿命的降低，而只有在600℃左右回火时，累积疲劳寿命可提高19。

针对有些接头PWHT时带来的问题以及某些情况下PWHT实施的困难，回火焊道技术(Temper Bead Welding，TBW)被开发出来。它通过合理分配焊道间的热输入、合理控制焊道几何尺寸，以有效改善多层多道焊接接头的组织和性能，可免除接头的PWHT［2－6］。该技术开发以来，已先后在火电、核电、石油化工等行业的焊接修复中得到应用，如Shinro等人［7］采用TBW技术成功修复了核电站压力容器出水口处的裂纹;文献［8］报道了采用半焊道技术修复轮船重型部件和修复多个厚壁压力容器腔体等的工程实例，成功将半焊道技术应用于多个厚壁压力容器腔体的修复中。在这些研究与应用中，将TBW技术应用于含缺陷或损伤部件修复的报道还不多。理论上分析，TBW技术应用于含缺陷或损伤部件的修复具有一定的优点。它能够减少修复区域的热过程和热输入，避免PWHT过程中由于晶粒长大、碳化物析出导致的组织劣化、性能降低，避免PWHT过程中应力释放时缺陷扩展或损伤加剧。有些研究也证明了采用TBW技术而免除PWHT对性能的有利影响，如文献［9－10］研究了长期服役后2．25Cr－1Mo钢管道修复接头与PWHT修复接头的性能，均发现TBW提高了接头的韧性，而PWHT反而对HAZ的韧性有弱化作用;Viswanathan等人［11］对一段服役了24．4万小时退役的1．25Cr－0．5Mo电站再热蒸汽管道，采用TBW技术焊接后模拟服役条件下的试验研究表明，TBW接头性能满足服役要求，且根据Larson－Miller参数外推的剩余寿命长于PWHT接头。虽然如此，对于含缺陷或损伤的部件，采用TBW技术修复时如何避免缺陷扩展或损伤加剧，还未见相应的研究和报道。文中拟通过二个含缺陷和损伤部件的焊接修复实例，研究TBW技术在含缺陷或损伤部件修复中的可行性，以研究和掌握TBW技术应用于含缺陷部件焊接修复的技术要点，扩大TBW技术在焊接修复中的应用。

图1 汽包筒体上存在的缺陷

1 含缺陷和损伤的汽包修复

1．1 汽包结构与缺陷

某发电机组锅炉汽包运行27年后，在其连通管接管座管孔边缘出现疲劳裂纹，如图1a所示，同时接管座角焊缝根部还存在制造时遗留的未熔合和服役过程中由未熔合诱发的裂纹，如图1b所示，汽包上需要处理的缺陷100余处。该汽包筒体材料为BHW35，长11 350 mm，内径1 600 mm，壁厚65 mm，其上有97个规格从OD76×5 mm至OD368×25 mm的连通管接管座，接管座材料均为20 G。

1．2 修复方案的确定

汽包焊接修复时，通常采取的方法是补焊后再进行 PWHT［12－13］，但由于部分位置操作不可达，汽包未焊透与疲劳损伤不能被全部清除，PWHT过程中，存在的缺陷或损伤可能会发展;其次若修复后整体或整段PWHT时，需要解除全部连通管，以避免膨胀阻碍导致裂纹，工程量大，成本高，周期长;若修复区域均局部PWHT，则汽包多次受热，将对汽包母材性能造成严重损伤。另外，汽包结构巨大，PWHT时难以保证理想的温度场，导致修复后仍存在较大残余应力，影响汽包的使用与安全。因此该方法并不适宜此汽包的修复。

由于存在的裂纹等缺陷大多深度在10．0 mm以内，因此决定采用以下方法对这些缺陷进行处理:

(1)缺陷保留。对于制造时遗留的未焊透缺陷，若其周围未产生裂纹，缺陷保留不处理。

(2)打磨消除。对于深度≤4．0 mm的缺陷，由于打磨后厚度满足最小壁厚要求，采用打磨清除缺陷、圆滑过渡处理。

1994年分税制改革后，我国对中央和地方政府事权进行了粗线条划分，中央和地方政府各自独立的事权划分不清晰，共同事权比较多，但其中的界限又不很清楚。一个较具说服力的例子是中央政府公务员占全国公务员人数的6%左右，若考虑同口径下把公立学校的教师纳入公务员统计人数的话，这一比例可能在4%以下。而在可比的其他大国，这一比例大都在30%以上①。从这个数字可以看出，中央政府大多数的事权和支出责任由中央层层下放给地方。由于政府间事权和支出责任划分模糊，共同事务不断增多，最终导致支出体系的混乱。

(3)TBW修复。对于深度在4．0～10．0 mm缺陷，采用TBW技术修复。需要采用此方法修复的缺陷97处。

天馈线匹配网络工作时会散发很大的热量，特别是在夏季，如果天调室散热不好，温度可升到60度以上，高温会引起网络阻抗变化，发射机驻波增大，工作不稳定。因此，应采取通风降温措施，保证网络的稳定性。天调室的散热方式有自然通风、风机散热和地道负压抽风几种方式。

(4)焊接+PWHT处理。对于深度＞10．0 mm的缺陷，由于焊接量相对大，焊后残余应力大、分布复杂，采用焊接+PWHT方法。需要采用此方法处理的缺陷共4处。

1．3 TBW 实施

采用TBW技术修复时，首先进行缺陷清理。采用机械打磨的方法进行缺陷清理。对于清理后需要焊接的区域，缺陷清除完全，并将补焊区域周围一定范围内的缺陷、可能存在疲劳损伤的母材一并清除;对于打磨操作不可达区域缺陷、未导致裂纹的未焊透缺陷不处理。例如，对于图1a中的缺陷(打磨后需TBW补焊)，打磨清除管孔边缘与内壁裂纹，清除角焊缝根部裂纹，清除未焊透及附近裂纹，未出现裂纹的管孔边缘倒角5 mm以清除疲劳损伤;对于图1b中的缺陷(打磨后无需焊接)，打磨清除管孔边缘裂纹并整周倒角5 mm，清除角焊缝根部裂纹，未焊透不处理。

3)行间生草。贵州苹果主产区雨水多，杂草生长旺盛。配合种植生长量小的紫花苜蓿、白三叶等能够有效抑制杂草的旺长，还能刈割覆盖作为绿肥提供养分。

其次焊前预热。采用电加热方法，预热至180～200℃。

随后进行焊接。焊层道布置如图2所示，焊接工艺参数见表1。第一层(熔敷层)焊接。热输入小，焊速快，控制焊道余高≤2．5 mm。打磨熔敷层时，磨平为止，打磨量约1 mm。填充层焊接时，由于坡口窄，直接采用填充层作为回火焊道。焊接规范略大，焊道搭接量50左右，以对熔敷层及随后焊道的粗晶区起回火作用。焊接盖面回火层时，焊接坡口填平后，再在焊缝表面焊接一层盖面回火层。该层距填平层边缘母材1～2 mm，使该层细晶区落入上一层焊道的HAZ粗晶区，并使该层不在母材上产生HAZ粗晶区。此后进行打磨清除盖面层，采用机械打磨，去除无后续焊道回火的盖面回火层。

最后后热处理。采用电加热方法，将补焊区域加热至350℃，恒温2 h。

图2 焊层道布置及焊接顺序示意图

表1 汽包TBW修复焊接工艺参数

/℃熔敷层 GTAW TIG－J50 2．5 90～110 10～11 ≤2．5 —焊层 焊接方法 焊材 规格/mm 焊接电流I/A电弧电压U/V焊缝余高δ/mm焊道搭接量λ/()层间温度T 180～200填充层 SMAW E5015 3．2 100～130 20～21 ≤3．0 约50 180～300盖面回火层 SMAW E5015 3．2 100～130 20～21 ≤3．0 约50 180～300

图3 母材和不同修复方法接头HAZ组织

1．4 修复检验及结果

焊接完毕，对TBW修复区域、PWHT修复区域和未修复区域分别进行宏观检验、渗透探伤、金相组织检查、残余应力测量，结果表明:修复区域未产生新的缺陷;未清除的未焊透缺陷区域未发展或萌生新的缺陷;可能存在疲劳损伤的区域，金相检查未发现微裂纹或其他缺陷。汽包原母材组织为铁素体+回火贝氏体，晶粒度8～9级，如图3a所示。TBW接头HAZ组织为回火贝氏体+铁素体，如图3b所示，与PWHT接头HAZ组织无显著差异，如图3c所示。TBW修复区域残余应力为 101．0～134．0 MPa，PWHT修复区域残余应力为67．0～116．0 MPa且仅个别点超过100 MPa。

316张护理记录单中，出入量记录错误的护理记录单214张，错误率67.72%，说明出入量记录存在的问题确有进一步探讨的必要 。共有508例次的错误，其中入量错误167例次，出量错误341例次，具体错误情况为：肠外营养液记录不准确128例次占76.65%，静脉注射漏计量25例次占14.97%，入量计算不准确9例次占5.39%，记录不精确5例次占2.99%，不显性失水未记141例次占41.35%，痰液量未记129例次占37.83%，渗出未记33例次占9.68%，引流漏记37例次占10.85%，呕吐未记1例次占0.29%。

2 含缺陷除氧器除氧头修复

2．1 除氧头结构与缺陷

某电站除氧器的除氧头由245R+0Cr18Ni9复合钢板制成，基层板厚22 mm，复层板厚3 mm，内径2 500 mm。运行19年后，除氧头筒体与封头环焊缝复层、过渡层与基层均发现裂纹。复层裂纹位于接头焊缝金属、熔合线及HAZ上，横向或纵向分布，横向裂纹每条长数毫米，其形貌如图4所示;过渡层裂纹尺寸均数毫米，但其中有2条已扩展至基层焊缝中，其尺寸分别为长55 mm×深7 mm、长62 mm×深6 mm，均沿焊缝纵向。安全性评定表明过渡层中的短小裂纹不影响一个大修期内安全运行，但2条已扩展至基层的裂纹需要焊接修复。为了避免缺陷在PWHT中扩展，决定采用TBW技术对基层缺陷进行处理。

图4 除氧头复层焊缝区域裂纹

2．2 修复过程与工艺

首先进行缺陷处理。采用机械打磨的方法完全清除基层焊缝中的2条裂纹。为了避免过渡层中存在的短小裂纹在焊接过程中扩展，2条裂纹清除后，继续沿原裂纹纵向清除复层与过渡层60 mm以上，如图5所示，以使基层修复焊缝远离原过渡层。机械打磨清除复层裂纹，打磨最深2 mm后复层裂纹被完全清除。对坡口进行修整，修整后的坡口形状及焊道布置如图6所示。采用氧乙炔焰，将待焊区域加热至150～200℃。

随后进行基层焊接。焊接规范见表2。第一层采用小规范、快速焊，形成薄的焊道，焊完后焊道打磨1 mm左右;第二层焊接时增加焊接热输入，对第一层焊道HAZ粗晶区回火。基层填充至距复层1～2 mm左右时停止。采用氧乙炔焰，将焊接区域加热至300～350℃，恒温30 min。

在过渡层焊接中，控制过渡层厚2～3 mm。复层焊接既是复层填充，也对过渡层在基层上形成的HAZ粗晶区起到回火的作用。

图5 缺陷清除范围示意图

图6 修整区域坡口形状及焊道布置

2．3 修复检测及结果

修复后检查焊接区域基层、复层未发现缺陷，过渡层存在的短小裂纹未发生扩展。运行3年后再次检查，修复区域未发现缺陷，原过渡层存在的缺陷未发生扩展。

他为她语气里的凉害怕起来，这么多年，他太懂得她，或者，这一次真的是再也不见。可他如今是那么迫切地想要将来，想要白头偕老，失去她是怎样的生活，他不敢想像。

表2 除氧头环焊缝修复焊接工艺参数

/℃基层熔敷层 GTAW TIG－J50 2．5 80～90 10～11 ≤2．5 —焊层 焊接方法 焊材 规格/mm 焊接电流I/A电弧电压U/V焊缝余高δ/mm焊道搭接量λ()层间温度T 150～200基层填充层 GTAW TIG－J50 2．5 100～130 11～12 ≤3．0 约50 150～220过渡层焊缝 GTAW ER309L 1．6 60～80 9～10 ≤3．0 — ≤80复层焊缝 GTAW ER316L 1．6 60～80 9～10 ≤3．0 — ≤80

3 TBW修复结果与技术要点分析

3．1 未清除缺陷或损伤的控制

上述两则TBW修复实例检验结果表明，TBW技术可以控制缺陷和损伤在修复过程中不发生扩展，但另一方面，TBW修复接头残余应力高于PWHT接头。因此避免缺陷扩展或损伤加剧，成为TBW技术修复含缺陷或损伤部件需要解决的主要问题之一。为此，需要在工程上采取一定的控制措施:

(1)消除焊接热影响或焊接应力影响区域内的缺陷或损伤。缺陷或损伤越靠近修复焊接区，则受焊接热影响和焊接应力影响越大。因此，对焊接区域的缺陷或损伤应清除完全;在操作可达的条件下，对受焊接热影响或焊接应力影响区域内的缺陷或损伤清除。不同的结构、不同的焊接方法产生的焊接温度场、应力场不同［14］，通过计算或工程经验，可以获得不同焊接结构下焊接热、焊接应力影响区域。在上述汽包修复，除了清除疲劳裂纹，对管孔内壁与汽包内壁交界区域也一并打磨;在上述除氧头修复中，除了清除基层裂纹，还将原基层裂纹两端过渡层和复层清理延长60 mm(图5)，避免修复时过渡层中可能存在的短小裂纹扩展。

(2)降低焊接残余应力。大量研究表明，TBW接头残余应力远高于PWHT接头，文中的研究也证明了此结论。残余应力是缺陷扩展与损伤加剧的主要因素之一。因此TBW修复时需要采取措施降低焊接应力。根据修复结构的不同，可以采用多种方法降低残余应力，如减小结构刚性、采用合理焊接顺序、加热减应、随焊锤击等［15－16］。Aloraier等人发现，采用 TBW 时，控制焊接搭接量为50左右，能取得较好的焊接应力分布。上述汽包修复中，采用了随焊锤击降低焊接残余应力的方法并控制焊道搭接量，使采用TBW焊接修复的接头应力水平降低到101．0～134．0 MPa，虽然较PWHT接头残余应力水平高，但较其他文献报道的残余应力水平明显降低。

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3．2 焊道回火效果的获得与保证

TBW用于含缺陷或损伤部件修复需要解决的另一问题是焊层道的布置。补焊区域缺陷清除后，坡口形状、尺寸各不相同，常常是不规则的。这就需要根据现场情况，合理布置焊层道，其基本原则是保证后层焊道能对前层焊道起到回火作用。

在文中修复案例中，对与母材接触的熔敷层，均采用了半焊道技术，将焊道余高去掉1/2;填充层焊道搭接量50左右，并控制焊层厚度2～3 mm，以使后续焊道对前层焊道起到回火作用;汽包修复时还采用了盖面层回火焊道。这些操作，保证了接头每道焊道均能得到回火，使TBW接头与PWHT接头组织上无显著差异。

4 结论

(1)二例含缺陷和损伤部件TBW技术修复结果表明，缺陷在修复过程中未发生扩展，TBW接头组织与PWHT接头无显著差异，但TBW接头残余应力显著高于PWHT接头。

(2)TBW技术可用于含缺陷或损伤部件的焊接修复。修复的技术要点，其一是采取相应的控制措施，避免修复中缺陷扩展或损伤加剧，如:在操作可达的情况下，清除受焊接热或焊接应力影响区域内的缺陷或损伤，降低修复区域焊接应力等;其二是根据消除缺陷后的坡口形状、尺寸，合理布置焊层道，以保证接头的回火效果。

SPT可发生钙化，本组CT显示6例钙化灶，而MRI均未显示钙化灶，CT优于MRI，这是因为CT的钙化表现为高密度影，而MRI的钙化呈低信号，不强化，且腹部MRI在扫描时会受到呼吸伪影、胃肠道蠕动伪影、化学位移伪影的干扰，导致钙化难以发现。MRI显示出血12例，而CT显示出血3例，MRI优于CT，这是因为CT平扫上出血表现为稍高密度，与肿瘤内的实性成分不易分辨，而MRI软组织分辨率高，序列较多，能显示各期出血。

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