高溫過熱器集箱出口三通焊縫裂紋原因分析及處理措施

徐富國，杜 平，袁啟民，王賀軍，李士峰

(大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044)

1 概述

大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司10號鍋爐為DG1025/17.4-Ⅱ12型、亞臨界參數(shù)、四角切圓燃燒、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐，于2010年5月投入運行。鍋爐主蒸汽管道由高溫過熱器集箱三通引出，集箱規(guī)格為φ609.6 mm×110 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG；變徑三通規(guī)格DN609.06 mm×110 mm/DN609.6 mm×86 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG；引出管規(guī)格φ609.6 mm×86 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG；運行溫度為540 ℃。2010年12月運行人員巡回檢查發(fā)現(xiàn)爐頂?shù)鯒U處有蒸汽冒出，停機檢查發(fā)現(xiàn)高溫過熱器出口集箱三通與主蒸汽導汽管連接焊縫開裂、泄漏，裂紋宏觀示意見圖1。

圖1 裂紋宏觀示意

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

2.1 宏觀分析

對管道支吊架進行檢查，結(jié)果未見異常，將管道與三通沿原焊縫切斷分離后，管道未發(fā)生明顯位移，說明管系拘束應力不大，排除了管系應力造成開裂的原因。三通與引出管連接處脖頸較短，該處存在較明顯的應力集中，裂紋位于焊縫三通側(cè)熔合線上，說明該處的應力集中和熔合區(qū)的薄弱組織對裂紋的形成起到了一定的作用。在安裝過程中該焊縫經(jīng)過無損檢驗，未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、未熔合、裂紋等超標缺陷，在運行約6個月即產(chǎn)生嚴重的裂紋缺陷，說明該缺陷的產(chǎn)生與管道材料和組織有一定的關(guān)系。

2.2 金相分析

在焊縫開裂上、下熔合線處切取試樣，鑲嵌后打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察發(fā)現(xiàn)三通與主蒸汽導汽管金相組織均為鐵素體+珠光體+少量碳化物，未見明顯晶粒變形，珠光體為層片狀，形態(tài)清晰，未見明顯球化，珠光體球化等級為1～2級；焊縫金相組織為鐵素體+回火貝氏體，晶粒為柱狀晶，晶粒形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)正常；焊縫熔合區(qū)過渡情況良好，組織為鐵素體+回火貝氏體，粗晶區(qū)晶粒粗大，細晶區(qū)晶粒細碎。裂紋產(chǎn)生于焊接熱影響區(qū)的過熱粗晶部位，止于細晶區(qū)，具有沿晶開裂的特征；主裂紋是由眾多小裂紋擴展合并形成的；粗晶區(qū)的晶界上局部存在眾多沿晶的孔洞，裂紋形態(tài)見圖2。金相分析顯示該缺陷具有再熱裂紋特征。

圖2 裂紋形態(tài)

2.3 掃描電鏡分析

對裂紋旁邊的金相組織進行電鏡分析，主裂紋周圍分布著眾多沿晶小裂紋，還存在一些未形成裂紋的孔洞，主裂紋旁小裂紋及孔洞示意見圖3。這些特征與再熱裂紋的形成過程出現(xiàn)的現(xiàn)象相吻合。

圖3 主裂紋旁小裂紋及孔洞示意

2.4 綜合分析及結(jié)論

a.由該裂紋產(chǎn)生的時間、條件以及金相、電鏡組織分析可知：該裂紋不具備冷裂紋、熱裂紋、疲勞裂紋、腐蝕裂紋的特征，而是具有再熱裂紋的一切特征，同時該裂紋產(chǎn)生的條件也完全滿足再熱裂紋產(chǎn)生的條件。

b.12Cr1MoVG含有一定量沉淀強化元素，依據(jù)再熱裂紋評價經(jīng)驗公式PsR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2，可算出PsR=2.02。當PsR>0時易裂[1]，12Cr1MoVG鋼的PsR=2.02，說明該材料具有較強的再熱裂紋敏感性，滿足材料具有再熱裂紋敏感性這個基本條件。

c.三通壁厚110 mm、導汽管壁厚90 mm，兩者均為大厚壁部件且壁厚相差20 mm，三通脖頸長度約為110 mm，該結(jié)構(gòu)應力集中較大，在焊接區(qū)域存在著很大的殘余應力。由于壁厚差別較大，焊后熱處理時難以保證溫度均勻，從而產(chǎn)生較大的熱應力。滿足了焊縫存在較大焊后殘余應力的基本條件。

d.再熱裂紋的產(chǎn)生存在敏感溫度區(qū)，一般低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度區(qū)間為500～700 ℃，焊后熱處理的溫度為(735±10) ℃，在加熱和冷卻的過程中在此溫度區(qū)間的時間為6～10 h，正常運行時的溫度為540 ℃,這樣的溫度也處于該鋼種的再熱裂紋敏感溫度區(qū)。滿足了焊縫處在再熱裂紋敏感溫度的基本條件。

根據(jù)以上檢查及分析可以得出結(jié)論：12Cr1MoVG材質(zhì)具有再熱裂紋傾向和熱處理工藝不得當是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

3 修復工藝及注意事項

3.1 裂紋修復工藝

修復的主要難點是防止產(chǎn)生再熱裂紋。在無法對材料進行更換和改變運行參數(shù)的前提下，可采用的方法減小再熱裂紋的敏感區(qū)和減小焊接殘余應力，即通過減小焊接線能量、控制每層厚度和層間溫度等措施減小粗晶區(qū)的厚度，另外通過層間錘擊等手段減小焊接殘余應力。在焊后熱處理過程中考慮三通結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，采用合理的加熱器布置和嚴格溫度控制，避免焊件在敏感溫度區(qū)內(nèi)長時間停留，同時不會產(chǎn)生較大的殘余應力[2]，主要工藝要點如下。

a.采取機械方法去除舊焊縫，防止去除舊焊縫的過程中產(chǎn)生過熱組織，影響隨后的焊接工作。

b.坡口制作為雙V形坡口，該形式使其具有良好的焊接操作空間，并且焊縫金屬的填充量較少。坡口制作完成后，進行表面無損檢測，以確定是否有裂紋等危害性缺陷的存在，如果存在缺陷必須消除。

c.為防止產(chǎn)生再熱裂紋，必須采用較高的預熱溫度。該鋼種預熱溫度為200 ～300 ℃。結(jié)合現(xiàn)場的實際情況和環(huán)境溫度，應把預熱溫度定為規(guī)程規(guī)定的上限，層間溫度不超過400 ℃。焊前預熱及層間保溫要保證整個構(gòu)件受熱的均勻性。

d.選擇R317焊條進行焊接。該鋼種具有一定的晶粒長大敏感性，為防止晶粒嚴重長大增加再熱裂紋的敏感性，選用較小的焊接線能量。選用直徑φ2.5 mm R31氬弧焊絲打底，填充層選用φ3.2 mm焊條。

e.禁止強力對口，每層焊道進行錘擊消應力。

f.該三通是大厚壁異形構(gòu)件，在熱處理的過程中必須考慮構(gòu)件整體受熱的均勻性，合理布置加熱器，防止熱處理后產(chǎn)生溫差附加應力。加熱功率選擇時要考慮三向散熱。綜合考慮加熱和散熱條件，整體加熱功率不低于100 kW。為保證有一定的加熱功率裕量，防止加熱器在長時間高負荷運行條件下?lián)p壞，考慮采用120 kW的加熱能量較好。保溫時間的選擇主要考慮到壁厚方向的溫度均勻性，在規(guī)程規(guī)定的基礎(chǔ)上延長一定的時間,保溫寬度也應延長，以保證熱處理效果。

3.2 裂紋修復注意事項

焊縫的修復過程主要涉及到機加工及對口、焊接過程、熱處理過程和無損檢測過程。這幾個過程并非完全順序進行，在各階段都存在著交叉作業(yè)，因此對整個修復過程的控制是一個系統(tǒng)性的工作，必須做到各工序間無縫銜接，每道工序完成后都要為后續(xù)工序創(chuàng)造良好的工作條件，注意事項如下。

a.機械去除舊焊縫后必須進行檢查，以確定舊焊縫是否完全清除；坡口制作過程中要及時測量坡口尺寸，防止去除金屬量過多造成對口困難；坡口制作完成后要進行無損檢測防止坡口處存在影響焊接的缺陷，并檢驗坡口尺寸。

b.預熱前要檢驗熱電偶，預熱過程中應注意升溫速度，防止超溫，保溫時間達到后，用紅外測溫儀對坡口處溫度進行檢驗。

c.焊接過程中應記錄相應的焊接參數(shù)，控制焊接電流、焊接速度、焊接層間厚度，防止出現(xiàn)大電流、厚焊層。每層焊完后立即進行外觀檢查，如有缺陷立即消除。每層進行錘擊，并檢查錘擊效果，要保證焊縫留有均勻的錘擊印記。

d.焊縫填充完畢后立即進行整體外觀檢查，對存在的表面缺陷立即消除，及時整理加熱器進行焊后熱處理。

e.熱處理時應注意溫度測點焊接是否牢固，加熱器與三通、管接頭之間貼合是否緊密，綁扎是否牢固，保溫層覆蓋厚度與范圍，動力線、信號線的連接是否可靠等。并對整個熱處理過程中的溫升情況、各片加熱器之間功率的分配情況密切監(jiān)督。

f.熱處理后待構(gòu)件完全冷卻后對需檢測區(qū)域打磨干凈，顯露出金屬光澤。考慮到三通與導汽管之間的焊縫只能進行單側(cè)UT檢測，要求把焊縫余高打平，采用小K值探頭，盡可能探測到三通側(cè)焊接熱影響區(qū)。并進行磁粉檢測和硬度檢測。

g.焊后經(jīng)過表面檢查、內(nèi)部無損檢驗、硬度檢查未發(fā)現(xiàn)超標缺陷，處理才算達到預期目的。

4 建議

a.12Cr1MoVG鋼長期用作小管和中厚壁管材料，未見有再熱裂紋缺陷的相關(guān)報道。近年來用于大厚壁管子、管件后同類型結(jié)構(gòu)的三通多次發(fā)現(xiàn)類似的缺陷，反映出該鋼種在制作大厚壁管子、管件時再熱裂紋的敏感性增加。應對12Cr1MoVG應用于大厚壁管子、管件的適應性展開深入的研究，探討是否有必要采用其它鋼種替代，如10CrMo910、P91等。

b.變徑結(jié)構(gòu)的三通頸部較短、壁厚過渡明顯，這種結(jié)構(gòu)會增加焊接時的內(nèi)應力，并且在現(xiàn)場施工時難以保證熱處理溫度的均勻，因而該種結(jié)構(gòu)的三通焊口最佳的熱處理方法是爐內(nèi)處理，而不應現(xiàn)場處理。應增加對該結(jié)構(gòu)三通焊縫的無損檢測頻次，及早發(fā)現(xiàn)運行過程中產(chǎn)生的再熱裂紋。

[1] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．

[2] 楊瑞成,孟 威,陳 奎,等．12Cr1MoV高溫時效過程的動力學研究[J].材料科學與工藝,2008,16(1):19-22．

本文責任編輯：楊秀敏