塔式爐T23水冷壁泄漏分析及措施

顧宏偉，高錦堯

（浙江國(guó)華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

塔式爐T23水冷壁泄漏分析及措施

顧宏偉，高錦堯

（浙江國(guó)華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612）

通過(guò)分析寧海電廠5、6號(hào)鍋爐T23水冷壁泄漏情況，提出了在基建調(diào)試期間采取的各項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施，并在鍋爐水冷壁剛性附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及T23水冷壁安裝工藝等方面提出建議，為同類型鍋爐提供借鑒。

T23；泄漏；分析；措施

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,機(jī)組參數(shù)不斷提高，新的鍋爐用鋼不斷出現(xiàn)，T23鋼就是其中之一。SA-213 T23鋼是由日本開(kāi)發(fā)研制的用于超臨界機(jī)組的新型低合金高強(qiáng)度耐熱鋼，具有良好的抗高溫蠕變強(qiáng)度。據(jù)國(guó)外資料介紹該鋼種焊前不需預(yù)熱、焊后無(wú)需熱處理。因膜式水冷壁安裝無(wú)法進(jìn)行熱處理，寧海電廠二期工程1 000 MW機(jī)組塔式爐水冷壁從鍋爐41 m層螺旋水冷壁開(kāi)始至上部垂直水冷壁高溫段設(shè)計(jì)采用了此鋼種，但實(shí)際運(yùn)行后多次在鍋爐T23水冷壁管拼縫、剛性梁結(jié)構(gòu)附件的焊縫處出現(xiàn)裂縫并最終導(dǎo)致泄漏。通過(guò)查找各方面原因并采取一系列措施，減小了由于鍋爐泄漏對(duì)機(jī)組造成的影響。

1 T23水冷壁泄漏情況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧海電廠5號(hào)鍋爐水冷壁共計(jì)發(fā)生泄漏6次，17根管泄漏，6號(hào)鍋爐發(fā)生泄漏2次，6根管泄漏。調(diào)試期間停爐8次，每次都發(fā)生泄漏，且漏點(diǎn)都集中在鍋爐燃燒器區(qū)域41 m層及以上 T23水冷壁，多數(shù)為爐膛轉(zhuǎn)角、膨脹死點(diǎn)、水冷壁剛性梁及梳形板等處，以及垂直段和螺旋端過(guò)渡段的安裝或制造焊口與鰭片相交處。

2 測(cè)試分析

2.1 宏觀分析

漏點(diǎn)分布在螺旋水冷壁轉(zhuǎn)角剛性梁附件、填塊與水冷壁管焊縫處、燃燒器區(qū)域轉(zhuǎn)角彎頭焊縫與鰭片焊縫相交處、垂直段與螺旋段過(guò)渡段加強(qiáng)筋板處、水冷壁鍛造V型三通 （F23）、鍛造彎頭（F23）、十二通（F23）焊口與鰭片焊縫處、梳形板與管子焊縫處，泄漏均為裂紋形式。從結(jié)構(gòu)上看，漏點(diǎn)處束縛力較大。泄漏均發(fā)生在停爐期間，漏點(diǎn)都是在停爐后進(jìn)行水壓試驗(yàn)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

2.2 化學(xué)成份分析

據(jù)蘇州熱工研究院提供的化學(xué)成分分析報(bào)告，水冷壁管材料成分、組織、性能等均符合相關(guān)要求，焊材選用合理。

2.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)取樣T23水冷壁直管母材做機(jī)械性能試驗(yàn)，其拉伸、壓扁、常溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)水冷壁管母材性能符合要求。

2.4 焊接應(yīng)力檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采用小孔釋放法對(duì)6號(hào)鍋爐T23材料水冷壁焊縫處的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)點(diǎn)位置選擇在螺旋段水冷壁轉(zhuǎn)角剛性梁和水冷壁中間膨脹死點(diǎn)處。表1所示為殘余應(yīng)力測(cè)試計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)，2號(hào)測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)387 MPa，已接近T23鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)屈服極限的下限，5號(hào)測(cè)點(diǎn)達(dá)到了352 MPa。測(cè)試結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)T23水冷壁外側(cè)剛性梁附件焊縫處焊接應(yīng)力較大。

表1 殘余應(yīng)力測(cè)試計(jì)算結(jié)果表

2.5 硬度測(cè)試

焊縫位置硬度測(cè)試與測(cè)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力相同，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果表

由表2可見(jiàn)，鰭片與管子的角焊縫處母材和焊縫硬度均處于較低水平，其中T23管母材的硬度均分布在HB130～HB140，而管子與鰭片焊縫處的硬度大多分布在HB200～HB220。結(jié)合殘余應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果，雖然測(cè)點(diǎn)2及測(cè)點(diǎn)5的殘余應(yīng)力較高，但其硬度并沒(méi)有明顯增大。硬度檢測(cè)初步說(shuō)明，水冷壁裂紋的產(chǎn)生與T23鋼焊接接頭淬硬組織導(dǎo)致水冷壁裂紋無(wú)關(guān)聯(lián)。

2.6 金相分析

對(duì)泄漏水冷壁管進(jìn)行取樣分析，裂紋處金相組織分析表明，泄漏管向火面主裂紋起源于焊縫與母材夾角處，從外壁粗晶區(qū)沿?zé)嵊绊憛^(qū)向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端止于細(xì)晶區(qū)。主裂紋較寬，宏觀發(fā)展方向同結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向一致，左下圖主裂紋附近有一條次裂紋，也起源于焊縫與母材夾角附近，但長(zhǎng)度較短，寬度較窄。金相組織照片見(jiàn)圖1。

圖1 裂紋處金相組織照片

金相分析結(jié)果表明，抽樣漏點(diǎn)1（左上、右上照片）向火面母材晶粒度為3～5級(jí)，含裂紋的背火面組織有混晶特征，晶粒度為3～8級(jí)。該處母材金相組織存在局部晶粒粗大和混晶現(xiàn)象，而在取樣直管母材金相檢驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。母材硬度處在正常范圍，但焊縫硬度值較低，無(wú)明顯淬硬組織現(xiàn)象。裂紋在水冷壁管背火面，主裂紋起源于焊縫與母材夾角，裂紋沿熔合線方向在粗晶區(qū)啟裂，存在再熱裂紋特征；但在應(yīng)力作用下，裂紋從外壁粗晶區(qū)向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端止于細(xì)晶區(qū)。沿熔合線的粗晶區(qū)存在晶界弱化現(xiàn)象，晶界處有碳化物析出。

抽樣漏點(diǎn)2（圖1左下、右下照片）位于水冷壁向火面管子與鰭片焊接接頭部位，該處疊加了埋弧焊及手工焊焊縫。微觀金相檢驗(yàn)表明，主裂紋啟裂于手工焊焊趾處，從外壁粗晶區(qū)沿?zé)嵊绊憛^(qū)向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋尖端止于細(xì)晶區(qū)。主裂紋較寬，且宏觀發(fā)展方向同結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向一致。附近有1條與主裂紋平行的次裂紋，但長(zhǎng)度較短，寬度較窄。金相檢驗(yàn)表明裂紋擴(kuò)展有沿晶特征，并且主裂紋啟裂處在粗晶區(qū)發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋，表明具有再熱裂紋特征。

3 泄漏原因分析

3.1 T23鋼的冷裂紋傾向

根據(jù)資料介紹，T23鋼對(duì)冷裂紋的敏感性很低，其無(wú)裂紋傾向的預(yù)熱溫度為20℃，在焊接薄壁、小直徑鍋爐受熱面管子時(shí)，若環(huán)境和工件溫度在20℃以上，就可以不做焊前預(yù)熱。但上海鍋爐廠的斜Y型拘束試驗(yàn)表明，T23鋼在預(yù)熱溫度為100℃時(shí)才能保證無(wú)裂紋，其生產(chǎn)實(shí)踐證明T23鋼有一定的冷裂傾向，可焊性差于國(guó)外資料的介紹。因此，厚壁大拘束構(gòu)件的焊接，若不采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，冷裂紋的產(chǎn)生難以避免。

3.2 T23鋼再熱裂紋傾向

上海鍋爐廠曾通過(guò)斜Y型拘束焊接試驗(yàn)方法對(duì)T23鋼的再熱裂紋敏感性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)日本和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的2批T23鋼進(jìn)行焊接性試驗(yàn)。試驗(yàn)用焊條牌號(hào)為HCM2S，直徑Ф3.2 mm，焊接方法為手工電弧焊 （SMAW）。試驗(yàn)結(jié)果表明，在600℃～760℃時(shí)，T23鋼均有不同程度的裂紋產(chǎn)生，最敏感的溫度范圍是690℃～760℃。并且，在相同的再熱溫度下，預(yù)熱溫度越高，再熱裂紋率越低，因此提高預(yù)熱溫度可在一定程度上避免再熱裂紋的產(chǎn)生。SA387-GR12CL1為美國(guó)牌號(hào)低合金耐熱鋼，與國(guó)產(chǎn)15CrMo相近，寧海電廠與T23水冷壁管焊接的鰭片、嵌板等均采用該鋼種。T23鋼屬2.25Cr-1.6W-V-Nb鋼，而SA387鋼為1Cr-0.5Mo鋼，這兩種鋼屬同類不同牌號(hào)，化學(xué)成分、力學(xué)性能有較大差異，從而造成異種鋼焊接中的成分、組織及接頭力學(xué)性能不均勻，在焊接材料及焊接工藝不當(dāng)?shù)那闆r下，會(huì)促進(jìn)再熱裂紋的產(chǎn)生。

3.3 綜合分析

綜合以上分析，T23鋼材料具有一定的冷裂紋和再熱裂紋傾向，特別是在環(huán)境溫度低于20℃時(shí)施焊，在T23鋼結(jié)構(gòu)拘束度較大且應(yīng)力集中部位更容易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋。再熱裂紋通常發(fā)生在熔合線附近的粗晶區(qū)中，從焊趾部位開(kāi)始，向細(xì)晶粒區(qū)發(fā)展并停止。產(chǎn)生原因是再加熱時(shí)，第一次加熱過(guò)程中過(guò)飽和固溶的碳化物再次析出，造成晶內(nèi)強(qiáng)化，當(dāng)晶界的塑性應(yīng)變能力不足以承受松弛應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變時(shí)，就產(chǎn)生再熱裂紋。鋼的晶粒度越大，越容易產(chǎn)生再熱裂紋。T23鋼種再熱裂紋敏感性遠(yuǎn)大于T22鋼，與國(guó)產(chǎn)的102鋼有相似之處。當(dāng)焊接線能量偏大、結(jié)構(gòu)拘束度大，使焊接接頭應(yīng)力集中，加之現(xiàn)場(chǎng)水冷壁焊后由于其特殊結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行熱處理，將進(jìn)一步影響焊接應(yīng)力的釋放。如果鍋爐廠制造水冷壁管排時(shí)由于焊接的連續(xù)性和工序的要求，無(wú)法在焊接完成后立即進(jìn)行熱處理或熱處理不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致再熱裂紋的產(chǎn)生。

焊接接頭應(yīng)力水平與焊接結(jié)構(gòu)拘束度有密切關(guān)系。水冷壁剛性梁附件在T23水冷壁外大量焊接，形成較高的應(yīng)力水平和應(yīng)力集中，容易誘發(fā)焊縫及焊縫附近區(qū)域產(chǎn)生裂紋，尤其是在焊有厚壁附件的膜式水冷壁轉(zhuǎn)角部位、垂直段和螺旋段過(guò)渡段漲力板、水冷壁管排上的梳形板、密封盒等附件，約束度很大。鍋爐停爐過(guò)程中，隨著水冷壁管的溫度下降，收縮應(yīng)力產(chǎn)生，在焊接應(yīng)力較大部位容易產(chǎn)生裂紋。膜式水冷壁管在現(xiàn)場(chǎng)焊接完成后，還必須焊接鰭片，疊加焊接造成焊接輸入熱量較大，另一方面由于拼縫較多，焊接工序和焊接質(zhì)量也不被重視，因此在焊接過(guò)程中難免產(chǎn)生焊接表面缺陷和造成較大的焊接應(yīng)力，在鍋爐啟停冷熱交替中最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

4 措施及建議

4.1 鍋爐水冷壁附件的設(shè)計(jì)

由于膜式水冷壁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力很大，特別是在螺旋段水冷壁的4個(gè)轉(zhuǎn)角處、垂直段和螺旋段過(guò)渡處。建議在設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免附件與T23管直接焊接，將填塊改成U型卡在管道上與鰭片直接焊接。在密封盒、梳形板處用墊板，避免和管道直接焊接，通過(guò)與鰭片焊接保證強(qiáng)度。在一些較長(zhǎng)的梳形板上有必要每隔300 mm開(kāi)設(shè)應(yīng)力釋放槽。通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算，將部份連續(xù)焊縫改為間斷焊縫。從目前情況看，在對(duì)轉(zhuǎn)角部位和膨脹死點(diǎn)處填塊、附件鋼板處開(kāi)設(shè)應(yīng)力槽后，未再發(fā)現(xiàn)泄漏情況。

4.2 鍋爐制造及安裝工藝

焊接水冷壁附件時(shí)應(yīng)合理安排焊接順序，如對(duì)稱焊、退焊、跳焊等，減少余高和焊接應(yīng)力，避免咬邊、缺口及根部未焊透等缺陷。T23水冷壁鰭片和嵌板塊、剛性梁連接板、吊耳等附件角焊縫焊接應(yīng)注意組裝質(zhì)量，避免強(qiáng)力組裝及間隙過(guò)大，間隙過(guò)大時(shí)應(yīng)相應(yīng)增加密封條。

在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量減少焊接量。由于材料的敏感性，過(guò)渡段鍛件拼縫焊接是焊接裂紋的多發(fā)區(qū)域，因此，應(yīng)采用成熟的焊接操作法。

預(yù)熱有利于防止再熱裂紋，但預(yù)熱溫度應(yīng)高于防止冷裂紋的預(yù)熱溫度或配合焊后熱處理。建議焊前預(yù)熱溫度：氬弧焊（GTAW）150℃～200℃，手工電弧焊（SMAW）200℃～250℃，層間溫度200℃～350℃。改善焊后熱處理工藝，當(dāng)鍋爐安裝現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)難以實(shí)現(xiàn)焊后熱處理時(shí)，應(yīng)采用火焰或其他加熱方式，將焊縫附近加熱到300℃～350℃進(jìn)行低溫焊后熱處理，以降低焊接接頭中氫的擴(kuò)散。在制造廠內(nèi)，管排盡量采用焊后熱處理工藝，但應(yīng)盡可能避開(kāi)T23鋼再熱裂紋敏感溫度區(qū)間。

T23管件焊接盡量采用GTAW，同種管材用TGS-2CW焊絲，與材質(zhì)為SA387-Gr12CL1的附件焊接用TIG-R30焊絲。若采用SMAW宜選用Φ2.5 mm焊條，焊接電流控制在90～110 A，適當(dāng)提高焊接速度，降低電弧電壓。焊前應(yīng)徹底消除焊縫處的水、銹、油。焊接操作盡量多層多道焊，避免各種工藝缺陷，并對(duì)焊趾處作適當(dāng)修磨處理，以降低應(yīng)力集中程度和啟裂源。焊后用錘擊法敲擊焊縫也可減少應(yīng)力。

4.3 加強(qiáng)廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)焊接管控和驗(yàn)收

加強(qiáng)T23的焊接管控，設(shè)專人進(jìn)行不間斷監(jiān)督檢查，特別是應(yīng)派人常駐制造廠監(jiān)督是否按焊接工藝進(jìn)行。由于現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，參與T23管焊接或與其拼縫、附件焊接的人員必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接考試，熟知焊接次序、工藝，考試合格方可上崗。現(xiàn)場(chǎng)做好實(shí)地抽查，建立T23焊接管理網(wǎng)絡(luò)。焊接完成后及時(shí)做好100%外觀檢查記錄。焊接操作應(yīng)避免未焊透、未熔合、咬邊、夾渣、背面氧化嚴(yán)重等工藝缺陷。焊趾處應(yīng)覆層或GTAW重熔、修磨使其圓滑過(guò)渡，以減少應(yīng)力存在的條件。及時(shí)處理不合格外觀，做好焊縫的100%PT、MT檢查。

4.4 加強(qiáng)停爐期間水壓試驗(yàn)檢查

鑒于上述鍋爐泄漏發(fā)生在停爐期間，每次停爐必須安排鍋爐一次汽系統(tǒng)水壓試驗(yàn)，以避免再次啟動(dòng)后由于水冷壁泄漏造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)做好與二次系統(tǒng)的隔離措施，防止漏入二次系統(tǒng)。如果機(jī)組未設(shè)電動(dòng)給水泵，停機(jī)后開(kāi)汽泵也不切合實(shí)際，并且浪費(fèi)大量人力物力，有必要單獨(dú)設(shè)一套打壓系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，至少選擇流量為140 L/min的柱塞泵，設(shè)2臺(tái)為最佳，由于打水壓試驗(yàn)主要是排查漏點(diǎn)，因此壓力的選擇可根據(jù)用戶的實(shí)際需要。由于爐外壁包覆保溫層，不易檢查泄漏點(diǎn)，建議在垂直段和螺旋段的過(guò)渡段下方和T23水冷壁最下方增設(shè)2道可拆卸保溫層，便于水壓試驗(yàn)時(shí)檢查，外側(cè)4層大剛性梁的4個(gè)轉(zhuǎn)角和中心膨脹死點(diǎn)處采用可拆除保溫層，基建期可考慮外護(hù)板先不安裝。在檢查過(guò)程中可能有漏點(diǎn)在保溫層中不易暴露，保壓時(shí)間應(yīng)盡可能延長(zhǎng)，最好晚上保壓、白天檢查，檢查時(shí)拆除保溫層，檢查是否有濕潤(rùn)現(xiàn)象，爐內(nèi)使用強(qiáng)光手電檢查。

5 結(jié)語(yǔ)

目前只對(duì)2個(gè)樣件進(jìn)行抽樣金相組織分析，并提出了幾點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施，供同類型鍋爐參考，以期最大限度地減少因鍋爐泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)對(duì)此類膜式水冷壁剛性梁結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力特性、T23材料的特性研究較少，因此還需對(duì)裂紋管擴(kuò)大抽樣金相分析，改進(jìn)膜式T23水冷壁附件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，T23管材性能、T23+F23，T23+SA387焊接工藝、T23焊后熱處理工藝等還有待研究和積累經(jīng)驗(yàn)，以便優(yōu)化超臨界鍋爐的設(shè)計(jì)、制造及安裝工藝。

[1]張波，高子瑜，王德泰，等.HCM2S鋼再熱裂紋敏感性的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程，2006（2）:300-303.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis and Countermeasures of T23 Water Wall Leakage in Tower Type Boiler

GU Hong-wei，GAO Jin-yao
（Zhejiang Guohua Zheneng Power Generation Co.，Ltd,Ningbo Zhejiang 315612，China）

s:This paper analyzes ofthe T23 water wallleakage of No.5 and No.6 Boilers in Ninghai Power Plant, puts forward various countermeasures during capitalconstruction and comissioning period and make suggestions on the aspects ofthe structure design and manufacturing ofthe rigid accessories ofthe boiler water wall,installation technology of T23 water wall etc.to offer a reference for the same type of boilers.

T23；leakage；analysis；measures

TK226+.2

：B

：1007-1881（2010）08-0037-04

2010-01-07

顧宏偉 （1978-），男，浙江上虞人，工程師，從事電廠鍋爐技術(shù)管理工作。