2#鍋爐過熱器連接管裂紋淺析及消除

黃啟明 魏萬高

摘要：蘭州石化公司動力廠2#鍋爐使用的是無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)中壓電站鍋爐，2015年1月份開始投入試運(yùn)行，2017年1月下旬份發(fā)現(xiàn)過熱器連接管處發(fā)生泄漏，經(jīng)過簡單補(bǔ)焊、熱處理后；運(yùn)行8天左右此處又開始泄漏，由于管線溫度和現(xiàn)場位置等因素，帶壓堵漏技術(shù)不適用于在此高溫情況下，最后停爐檢查，經(jīng)多方查找原因和分析故障發(fā)現(xiàn)原因是由于焊接工藝執(zhí)行不到位引起的延遲裂紋，淺析發(fā)生15CrMo焊縫延遲裂紋產(chǎn)生的情況。

關(guān)鍵詞：15CrMo，延遲裂紋，焊接工藝

一、引言

動力廠動力車間2#鍋爐為中壓電站鍋爐，額定負(fù)荷130t/h，過熱蒸汽壓力3.82MPa，過熱蒸汽溫度440～450℃。2017年1月下旬，2#鍋爐過熱器聯(lián)箱最南側(cè)高溫過熱器出口蒸汽連接管（φ133×6，15CrMoG，共6根）與過熱器集汽聯(lián)箱支管座（該φ133×8，15CrMoG）焊口處，出現(xiàn)長約5厘米左右裂紋。

針對此情況，車間組織相關(guān)單位對此焊縫裂紋緊急處理，本次處理僅是將存在明顯裂紋的焊縫打磨消除，重新對此按照15CrMo焊接工藝要求加熱，焊縫焊接、焊后熱處理處理，在熱處理完畢后，2#鍋爐立即復(fù)工投入運(yùn)行。

2月初崗位人員再次巡檢時發(fā)現(xiàn)該管段焊縫處再次出現(xiàn)泄漏，2#鍋爐立即停爐對此問題全面檢查。

二、故障成因分析

2.1 對該問題管線焊縫兩側(cè)母材和焊縫的進(jìn)行了硬度檢測分析；見下表：

對以上結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，焊縫處的硬度明顯高于兩處母材的熱影響區(qū)，根據(jù)前期焊接的資料，發(fā)現(xiàn)此管段焊接也是采用了R307焊條進(jìn)行施工。在正常情況下，R307與兩處母材的較為相近，而現(xiàn)在母材硬度與焊縫硬度相差很大，由此推斷此該管線裂紋為冷裂紋。

2.2 從2#鍋爐過熱器聯(lián)箱管座與支管焊縫泄漏處特征觀察，和對焊縫周邊進(jìn)行了敲擊檢查發(fā)現(xiàn)，此裂紋形態(tài)呈樹枝狀，并且已經(jīng)向母材延伸，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗推斷過熱器連接管裂紋為冷裂紋。

三、冷裂紋的產(chǎn)生機(jī)理

3.1鋼材的淬硬傾向

鋼材的淬硬傾向越大或馬氏體數(shù)量越多，越容易產(chǎn)生冷裂紋，因馬氏體是碳在α鐵中的過飽和固溶體，是一種硬脆組織，發(fā)生斷裂只需消耗較低的能量；因此在實際使用中，盡量選用鋼材淬硬傾向小的，降低冷裂紋發(fā)生的機(jī)率。

3.2 焊接接頭中的氫含量及其分布

氫在鐵中的溶解度隨溫度變化很大，并在凝固點發(fā)生突變。由于焊接熔池很快由液態(tài)凝固，多余的氫來不及逸出，結(jié)果就以過飽和狀態(tài)存在于焊縫中。焊縫中過飽和狀態(tài)的氫處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在含量差的作用下會自發(fā)地向周圍熱影響區(qū)和大氣中擴(kuò)散，這種濃度擴(kuò)散的速度與溫度有關(guān)，在一定溫度區(qū)間（約-100℃～100℃）氫的作用才顯著，如果同時有敏感組織和應(yīng)力存在，就會產(chǎn)生冷裂紋。

在預(yù)熱條件下焊接時，由于在冷裂紋敏感溫度區(qū)間之上停留時間（t100）較長，大部分氫已在高溫下從焊接區(qū)逸出，降至較低溫度時，殘留的擴(kuò)散氫己不足以引起冷裂紋，這就是預(yù)熱可防止冷裂紋的原因之一。

3.3 焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)

3.3.1 熱應(yīng)力

在接頭上不同位置的熱應(yīng)力其方向和大小是隨焊接熱循環(huán)而變化，冷卻后在接頭上留存著殘余應(yīng)力，其大小及分布決定于母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)、溫度場以及結(jié)構(gòu)的剛度等，其最大值可達(dá)母材的屈服點σs。

3.3.2組織應(yīng)力

高強(qiáng)度鋼奧氏體分解時，析出鐵素體、珠光體、馬氏體等組織，由于它們具有不同的膨脹系數(shù)，引起了局部體積變化，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力。

3.3.3拘束應(yīng)力

指的是接頭受到外部剛性拘束，焊件收縮不自由而引起的應(yīng)力，它的大小與結(jié)構(gòu)的厚度和拘束度等合關(guān)。

四、消除冷裂紋焊接工藝制定

4.1 15CrMo 15CrMo耐熱鋼母材性能

4.1.1母材性能

15CrMoG耐熱鋼，在高溫下具有較高的熱強(qiáng)性（Rm≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氫腐蝕能力。

4.1.2 材料焊接性分析

主要根據(jù)材料的淬硬性程度方面來評定，因為材料的淬硬性傾向越大，越容易產(chǎn)生冷裂紋。依據(jù)國際焊接協(xié)會推薦的碳當(dāng)量計算公式及判據(jù)：

將表1數(shù)據(jù)代入上式，求得CE=0.43～0.68%；

依據(jù)該判據(jù)，當(dāng)其碳當(dāng)量CE≤0.4%時，材料的可焊性較好，在母材厚度≤25時，可焊性良好，不需要進(jìn)行預(yù)熱也能焊接，且不裂。當(dāng)CE>0.4%時，鋼材的淬硬性傾向明顯增加，具有明顯的冷裂傾向。

通過以上分析認(rèn)為，15CrMo這種材料的淬硬性傾向比較明顯，易產(chǎn)生冷裂紋；在不制定嚴(yán)格的焊接施工工藝的情況下，焊縫極易發(fā)生延遲裂紋，給設(shè)備平穩(wěn)、正常運(yùn)行帶來較大隱患。

4.1.3冷裂紋消除措施

根據(jù)上述分析，冷裂紋主要與所使用的材料有關(guān)，與焊接接頭處的氫含量有關(guān)以及母材的厚度均有一定的關(guān)系。當(dāng)材料確定的情況下；必須對焊接工藝嚴(yán)格制定，將冷裂紋產(chǎn)生的影響因素降到最低。

1）焊前預(yù)熱

查閱相關(guān)資料，根據(jù)相關(guān)單位的試驗情況，15CrMoG，δ=8mm預(yù)熱溫度在150～200℃，先利用電加熱器進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱的目的在于減小母材與焊縫之間的溫度梯度，降低焊縫的冷卻速度，溢出焊縫中的過飽合氫，降低氫作用下的冷裂紋出現(xiàn)。

預(yù)熱范圍不小于100mm，預(yù)熱后將被焊其余部分保溫，在此溫度下使用鎢極氬弧打底，且打底一次性完成，然后用R307焊條進(jìn)行蓋面焊。

在焊接過程中，利用電加熱器保證道間溫度與預(yù)熱溫度一致，防止中斷焊接造成的焊縫溫度降低。

焊后應(yīng)立即熱處理，即消氫處理，用氧乙炔火焰加熱工件，加熱溫度在300～500℃保溫1h后緩冷焊后局部熱處理，根據(jù)JB/T6045—1992推薦的焊后熱處理制度，高溫回火的保溫溫度為600℃，最短保溫時間為δ/25=8/25=0.32h。

按照以上的焊接工藝，對2#鍋爐過熱器連接管裂紋焊縫打磨平整后，重新焊接處理，X射線探傷根據(jù)JB4730-2005標(biāo)準(zhǔn)評定，為Ⅱ級，評定結(jié)果為：合格。

五、結(jié)論

1、15CrMo的淬硬性是因其鋼材本身特性所決定，通過合理的焊前熱處理，焊接工藝，焊后熱處理可以有效的避免冷裂紋的產(chǎn)生。

2、在今后工作中，針對具有冷裂傾向的材質(zhì)，要求施工單位提供詳細(xì)的焊接及熱處理工藝，車間對其工作過程抽查，把因不嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝形成的冷裂紋徹底杜絕。

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