超高壓鍋爐高溫過(guò)熱器出口集箱管座角焊縫泄漏原因分析

王洪選 許洪莉

摘 要：本文針對(duì)超高壓鍋爐高溫過(guò)熱器出口集箱裂紋問(wèn)題，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)和開(kāi)裂試樣試驗(yàn)研究，確定開(kāi)裂原因?yàn)槭軣崦婀苈吩O(shè)計(jì)不合理，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施。實(shí)施結(jié)果表明，優(yōu)化效果明顯，該措施能有降低再次開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，保證了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超高壓鍋爐；管座角焊縫；泄漏；原因分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某熱電公司鍋爐為WGZ670/13.7-13型超高壓鍋爐，2015年12月發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器出口集箱多個(gè)管座角焊縫管材側(cè)熱影響存在裂紋缺陷，機(jī)組從2005年7月25日投產(chǎn)，至本次停機(jī)累計(jì)運(yùn)行80575小時(shí)，共啟動(dòng)80次（停運(yùn)79次），經(jīng)歷4次大修和13次小修。高溫過(guò)熱器出口集箱規(guī)格Φ325mm×50mm，管座規(guī)格Φ42.5mm×5.5mm，材質(zhì)均為12Cr1MoVG。本文分析了集箱管接頭裂紋產(chǎn)生原因，為制定科學(xué)合理的返修工藝提供依據(jù)，確保鍋爐集箱安全、可靠地運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

1 檢查情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)磁粉探傷共發(fā)現(xiàn)有35個(gè)角焊縫管材側(cè)熱影響區(qū)存在裂紋缺陷（其中有30個(gè)裂紋為爐后數(shù)第4根角焊縫部位），開(kāi)裂部位有明顯方向特征，即爐左側(cè)管排裂紋位于焊縫的爐左側(cè)、爐右側(cè)管排裂紋位于焊縫的爐右側(cè)（見(jiàn)圖1）。

裂紋均位于角焊縫管座一側(cè)焊縫熱影響區(qū)，整體來(lái)看裂紋較為平直，宏觀無(wú)分叉，沿管材側(cè)熱影響區(qū)周向擴(kuò)展，長(zhǎng)短不一（約10mm～50mm）。

1.2 試驗(yàn)室宏觀檢查情況

試驗(yàn)室對(duì)含有裂紋典型試樣（爐右數(shù)第4屏爐后數(shù)第4根）進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)穿透管壁，管子外壁裂紋長(zhǎng)度明顯大于內(nèi)壁，表明裂紋是從管子外壁起裂，見(jiàn)圖2。

1.3 材質(zhì)復(fù)核

采用合金分析儀對(duì)開(kāi)裂試樣進(jìn)行合金成份檢測(cè)，所檢測(cè)元素成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)表1。

1.4 金相檢測(cè)

試樣主裂紋開(kāi)口較大，頭部無(wú)分叉，裂紋內(nèi)部有氧化腐蝕產(chǎn)物，見(jiàn)圖3a。侵蝕后，主裂紋沿細(xì)晶區(qū)和不完全結(jié)晶區(qū)的過(guò)渡區(qū)穿晶擴(kuò)展，見(jiàn)圖3b。在裂紋擴(kuò)展區(qū)，主裂紋兩側(cè)存在大量的蠕變孔洞和蠕變裂紋。其中，蠕變孔洞呈橢圓形均位于三叉晶界，斷續(xù)鏈狀分布；蠕變裂紋均為沿晶擴(kuò)展，且蠕變裂紋大致與主裂紋平行，見(jiàn)圖4。試樣母材金相組織為鐵素體+貝氏體，按DL/T773-2001《火電廠(chǎng)用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》球化2.5級(jí)，見(jiàn)圖5。

2 開(kāi)裂原因分析

從高溫過(guò)集箱的結(jié)構(gòu)來(lái)看，集箱角焊縫向下約2.5米為爐頂密封焊接處，屬結(jié)構(gòu)上的相對(duì)死點(diǎn)。按設(shè)計(jì)，高溫過(guò)熱器出口集箱從鍋爐中心向左、右兩側(cè)膨脹，因高溫過(guò)熱器出口集箱溫度（540℃）明顯高于頂棚過(guò)熱器，故高溫過(guò)熱器出口集箱向鍋爐兩側(cè)的膨脹量明顯大于頂棚過(guò)熱器。

頂棚至高過(guò)出口集箱之間高過(guò)管除爐后數(shù)第4根，都至少設(shè)計(jì)有2個(gè)彎頭，而第4根僅有1個(gè)彎頭，其剛度明顯較強(qiáng)。所以，從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，爐后數(shù)第4根管存在較大熱膨脹應(yīng)力，集箱管座角焊縫部位由于結(jié)構(gòu)上特點(diǎn)成為明顯的應(yīng)力集中區(qū)，故集箱管座角焊縫處應(yīng)力水平明顯較高。

現(xiàn)場(chǎng)磁粉探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，30個(gè)爐后數(shù)第4根管座角焊縫處存在裂紋缺陷，裂紋長(zhǎng)度10mm～50mm不等。整體來(lái)看，爐右側(cè)開(kāi)裂情況比爐左側(cè)嚴(yán)重。從裂紋在管子上的分布情況來(lái)看，爐左側(cè)管排裂紋位于焊縫爐左側(cè)、爐右側(cè)管排裂紋位于焊縫爐右側(cè)，開(kāi)裂部位均位于管段拉應(yīng)力最大的區(qū)域，與管段應(yīng)力分布相吻合。

開(kāi)裂試樣焊縫和母材主要金屬元素符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織正常。裂紋位于熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和不完全結(jié)晶區(qū)過(guò)渡區(qū)域，裂紋穿晶擴(kuò)展，無(wú)分叉，裂紋內(nèi)部及尖端存在氧化腐蝕產(chǎn)物。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于焊縫熱影響區(qū)，細(xì)晶區(qū)的抗蠕變性相對(duì)較差，與主裂紋附近發(fā)現(xiàn)的大量蠕變孔洞和蠕變裂紋相吻合。

綜合以上分析，造成高溫過(guò)熱器出口集箱管座角焊縫發(fā)生開(kāi)裂的原因是：在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、內(nèi)壓應(yīng)力及溫度長(zhǎng)期作用下，從拉應(yīng)力水平較高的部位逐漸產(chǎn)生蠕變孔洞，并發(fā)展為蠕變裂紋，蠕變裂紋逐步擴(kuò)展，最終管壁裂透而發(fā)生泄漏。

3 處理方案

根據(jù)開(kāi)裂原因，對(duì)高溫過(guò)熱器進(jìn)口集箱同結(jié)構(gòu)管座角焊縫進(jìn)行了磁粉探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋類(lèi)缺陷，與高溫過(guò)熱器進(jìn)口集箱溫度相對(duì)較低，熱膨脹量小有關(guān)。同時(shí)，結(jié)合鍋爐設(shè)計(jì)單位對(duì)高溫過(guò)熱器進(jìn)、出口集箱外數(shù)第4根管進(jìn)行了管路優(yōu)化，從而達(dá)到增大管子柔性，降低角焊縫區(qū)域應(yīng)力水平的目的，修改前、后的管路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6中箭頭所示。

4 結(jié)論

本文綜合高溫過(guò)熱器出口集箱管座焊接接頭裂紋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和開(kāi)裂試樣試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，出現(xiàn)裂紋的位置均處于集箱的應(yīng)力區(qū)，主裂紋均產(chǎn)生在熔合線(xiàn)附近的細(xì)晶區(qū)，裂紋尖端圓鈍，穿晶擴(kuò)展，具有應(yīng)力開(kāi)裂特征，同時(shí)主裂紋附近也發(fā)現(xiàn)蠕變空洞及蠕變裂紋，但綜合來(lái)看，管路設(shè)計(jì)不合理是導(dǎo)致本次開(kāi)裂的主要原因。通過(guò)對(duì)管路進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)防止集箱管接頭裂紋的產(chǎn)生，確保電廠(chǎng)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供了有力保證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建倉(cāng)，姚建華，等.超超臨界鍋爐12Cr1MoVG集箱角接頭再熱裂紋原因分析及焊接工藝優(yōu)化[J].發(fā)電設(shè)備，2011（7）.

[2] 馬東森.2209t/h鍋爐屏式過(guò)熱器出口聯(lián)箱管接頭裂縫分析及處理[J].熱力發(fā)電，2008（10）.

作者簡(jiǎn)介：王洪選（1966-），男，漢族，河南登封人，大專(zhuān)，高級(jí)技師、助理工程師，研究方向：火力發(fā)電廠(chǎng)金屬監(jiān)督和焊接技術(shù)管理。