鍋爐鍋筒角焊縫裂紋處理方案的對比與實施

畢耜明

江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司

某火力發(fā)電公司一期工程為2×300MW循環(huán)流化床機組，鍋爐選用國內(nèi)自主改進研發(fā)的DG 1025/17.5-II19型330MW亞臨界參數(shù),鍋筒工作壓力18.87MPa，工作溫度為365℃，額定蒸發(fā)量1025t/h；鍋筒總長度19000mm，外徑2090mm，壁厚145mm。其中#1機組于2009年10月29日正式投入運行，2013年4月25日機組累計運行約25446h，按照運行周期開展了首次A修檢修工作，根據(jù)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438-2009）標(biāo)準(zhǔn)的要求，對水冷壁上集箱至鍋筒飽和蒸汽聯(lián)通管的角焊縫進行了10%抽查，無損檢測方法為磁粉檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爐左第三排第二根飽和蒸汽引出管角焊縫邊緣處出現(xiàn)表面裂紋，如圖1。

圖1 飽和蒸汽引出管角焊縫邊緣處的裂紋

經(jīng)外觀查看，裂紋位于角焊縫邊緣，偏向于鍋筒側(cè)的母材，裂紋表面長度約10mm，在裂紋周圍區(qū)域有明顯焊后打磨的痕跡，表面較光滑，與其他區(qū)域的焊縫魚鱗紋有明顯的區(qū)別。配合著色探傷，對裂紋進行了砂輪打磨處理，徹底消除裂紋后，打磨后的溝槽長度即裂紋長度約60mm，寬度約10mm, 深度（從母材表面測量）約10mm；原焊縫的焊址剩余高度20mm，如圖2。

圖2 裂紋清除后的各項數(shù)據(jù)

1 原因分析

根據(jù)廠家提供的《鍋爐受壓元件強度計算書》提供的信息，鍋筒材質(zhì)為13MnNiMo5-4，壁厚δ=145mm,常溫抗拉強度570MPa,中溫屈服強度308MPa,其合金成分，見下表。

表 鍋筒材質(zhì)的合金成份

根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量分析公式CE（ⅡW）=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+ Cu)/15，計算可得該鋼材的CE（ⅡW）=0.64%，可知焊接時淬硬傾向大，且淬硬傾向隨著冷卻速度的增大而增大，焊接接頭在較大的拘束應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生冷裂紋。另外，廠家查看技術(shù)檔案后，認為裂紋產(chǎn)生的原因為：廠家制造過程中，因工藝操作不當(dāng)，產(chǎn)生了缺陷（比如冷裂紋等），雖經(jīng)打磨處理，但處理并不徹底，表面仍有微裂紋殘留，再加上材質(zhì)具有一定的冷脆性，經(jīng)過機組3年多的運行，裂紋發(fā)生了擴展，最終導(dǎo)致目前的嚴(yán)重狀況。

2 可供選擇的方案

經(jīng)與廠家技術(shù)人員及同行業(yè)專家討論分析，有兩種處理方案，現(xiàn)對兩種方案進行對比分析。

2.1 方案一：補焊熱處理工藝

采用砂輪去除裂紋，期間輔以磁粉探傷檢查確保缺陷徹底清除，打磨后形成的凹槽圓滑過渡，以利于施焊。

清理焊接區(qū)域及周圍20mm范圍450mm范圍以上，預(yù)熱需均勻。采用焊條電弧焊工藝，焊條采用CHE507，φ3.2補焊，焊接層間溫度≤350℃焊后立即后熱消氫250℃～350℃/3～5h；冷卻至50℃后，清理、打磨焊接區(qū)域并與周圍金屬圓滑過渡，100%超聲波和100%磁粉探傷或著色探傷檢查；返修管接頭的焊后局部進行熱處理。

熱處理工藝：以補焊管接頭為中心，采用履帶式電加熱器包扎管接頭所在鍋筒筒身環(huán)帶，包扎范圍自補焊區(qū)域起兩側(cè)各不小于450mm，電加熱器外用硅酸鋁纖維毯保溫，鍋筒外壁保溫層需超出外壁電加熱片邊緣300mm以上，鍋筒內(nèi)壁對應(yīng)部位也應(yīng)采用硅酸鋁纖維毯保溫，為確保局部熱處理內(nèi)壁高溫效果，需拆除鍋筒補焊管接頭對應(yīng)部件的內(nèi)件，內(nèi)壁保溫范圍同外壁要求一致保溫層厚度均不小于80mm，控溫?zé)犭娕疾贾迷陔娂訜崞飨屡c筒身貼實，并與所控制的電加熱器相對應(yīng)，測溫?zé)犭娕疾贾迷诰嘌a焊角焊縫5mm以內(nèi)，保溫溫度590±10℃，保溫時間210+30min，所有熱電偶到580℃后開始計算保溫時間，300℃以上升、降溫速度不大于50℃/h。清理、修磨返修焊縫，100%磁粉或表面著色探傷檢查。

2.2 方案二：直接打磨消除工藝

該工藝是先采用機械法將裂紋消除，然后和周圍母材及管座圓滑過渡即可；但其前提條件是鍋筒的剩余壁厚及管座的剩余焊址高度均大于強度計算書中的最小需用值。

具體做法是先用砂輪角磨機追隨著裂紋的發(fā)展方向，打磨成溝槽狀，徹底消除裂紋，打磨時不要傷及管接頭及鍋筒其余部分母材，然后測量焊縫焊址剩余高度和鍋筒的剩余壁厚，確認測量值均大于技術(shù)說明書和圖紙上的最小需用值然后將溝槽向兩側(cè)打磨平滑過渡，以消除應(yīng)力集中，打磨過程中，輔以磁粉或表面著色探傷檢查確保裂紋清楚干凈，之后無需再做其他處理，設(shè)備即可投入正常使用，以后監(jiān)督運行。

3 方案的比較

3.1 方案一的優(yōu)缺點

優(yōu)點：該方案為比較傳統(tǒng)的處理工藝，有成熟的焊接工藝評定報告作技術(shù)支持，比較適合加工制造廠實施，若順利的完成整個工藝，可以基本徹底消除該隱患。

缺點：由于鍋筒各數(shù)據(jù)較大，因此剛性較強，且整個鍋筒為已經(jīng)安裝好的現(xiàn)場設(shè)備，整個系統(tǒng)的剛性再次增強，若采用方案一進行，其熱處理過程中必然出現(xiàn)膨脹不均的現(xiàn)象，會給系統(tǒng)造成較大的應(yīng)力集中，帶來不確定的安全隱患。

其次需耗用大量的時間、人力、物力與財力。整個工藝完成約6～10天的時間；工作量較大，包括腳手架的搭設(shè)與拆除、保溫的拆除與恢復(fù)、正式施焊以及焊前焊后熱處理加熱片的安裝與拆除等；費用也較高，根據(jù)熱處理公司的報價約為10萬元左右。

3.2 方案二的優(yōu)缺點

優(yōu)點：該方案工藝簡單，只需保證打磨后的母材剩余壁厚不小于最小需用厚度，角焊縫剩余焊址高度不小于最小角焊縫的焊址高度即可。不會給其他設(shè)備帶來隱患。

缺點：由于經(jīng)過了打磨處理，該處母材剩余厚度與焊縫的剩余焊址高度與周圍區(qū)域比較，均小于原來的實際壁厚數(shù)值，因此該部位應(yīng)作為監(jiān)督運行區(qū)域，定期對此部位進行跟蹤監(jiān)測。

4 方案的選擇與實施

無論選擇哪種方案，首先應(yīng)將裂紋先于進行消除；經(jīng)過對裂紋的徹底打磨，最終發(fā)現(xiàn)裂紋深度為10mm，寬度為10mm，長度為60mm，從裂紋底部到管座的角焊縫焊址高度為20mm ,如圖2。經(jīng)過查閱該鍋爐的《鍋爐受壓元件強度技術(shù)書》，技術(shù)資料上要求鍋筒取用壁厚為145mm，最小需用壁厚117.3mm，由于裂紋深度為10mm，則剩余壁厚為135mm，大于最小需用壁厚；查閱鍋筒設(shè)計圖紙，圖紙要求管座角焊縫為20mm，而實際測量原焊址高度為26mm，打磨處的焊址剩余高度為20mm，等于圖紙設(shè)計的焊址高度，如圖3，因此鍋筒母材剩余厚度及焊址剩余高度均滿足各自的技術(shù)要求。所以可以實施第二種方案。

圖3 鍋筒與聯(lián)通管角焊縫

5 方案的實施

按照方案二執(zhí)行，將裂紋徹底清除后，沿著清理裂紋形成的溝槽，向四周打磨圓滑過渡，形成緩慢的坡度，以降低應(yīng)力集中，最后打磨的外形，再次經(jīng)著色探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

6 結(jié)束語

本次處理采用方案二，在滿足設(shè)備安全的前提下，既便于操作，又節(jié)省資源。機組連續(xù)運行6個月后，對該處焊縫進行外觀檢驗、表面著色探傷，未見明顯缺陷。機組連續(xù)運行12個月后，再次檢驗，未見明顯缺陷，證明此方案可行。

[1]中華人民共和國國家能源局.DL/T 438-2009 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2009

[2]國家發(fā)展和改革委員會.JB/T 4730.4-2005 承壓設(shè)備無損檢測 第4部分:磁粉檢測[S].北京:新華出版社,2005

[3]國家發(fā)展和改革委員會.JB/T 4730.5-2005 承壓設(shè)備無損檢測 第5部分:滲透檢測[S].北京:新華出版社,2005

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 713-2008 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008