超超臨界鍋爐過(guò)熱器連通管焊接接頭開(kāi)裂原因分析與處理

陳 明 ，王文濤 ，董 鵬 ，馬艷麗

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310030；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)第一有限公司，山西 大同 037008）

0 前言

某在役發(fā)電廠的鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，采用四角切向燃燒方式，為一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的∏型直流爐。鍋爐型號(hào)SG-2037/26.15-M626。機(jī)組2012年投產(chǎn)，運(yùn)行約3萬(wàn)h。1號(hào)鍋爐在檢修過(guò)程中，對(duì)過(guò)熱器連通管與集箱對(duì)接焊口進(jìn)行MT檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)有裂紋（見(jiàn)圖1），經(jīng)全面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該管系中共有4道焊口存在裂紋。連通管及集箱材質(zhì)均為12Cr1MoVG，三通為φ457×φ457×φ457×75的熱壓三通，連通管規(guī)格φ457×75，焊接方法為T(mén)IG+SMAW，焊絲牌號(hào)TIG-R31，焊條牌號(hào)R317。

圖1 支管側(cè)HAZ凹槽及裂紋

12Cr1MoVG鋼屬珠光體耐熱鋼，熱強(qiáng)性和持久性較高，廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)[1]，焊接工藝也較為成熟。但近年來(lái)多家電廠的鍋爐連通管焊接接頭都出現(xiàn)裂紋，且大多出現(xiàn)在三通焊縫靠近支管側(cè)的HAZ，運(yùn)行時(shí)間從幾千h到幾萬(wàn)h均有發(fā)現(xiàn)，亞臨界機(jī)組和超臨界機(jī)組均有。為了預(yù)防因焊口開(kāi)裂引起機(jī)組非停，必須加強(qiáng)對(duì)12Cr1MoVG三通焊口質(zhì)量的監(jiān)督。隨著電力行業(yè)快速發(fā)展，大量機(jī)組相繼投產(chǎn)運(yùn)行，根據(jù)國(guó)內(nèi)的基建工藝來(lái)看，將會(huì)有多臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)或已出現(xiàn)類(lèi)似情況，所以有必要研究該類(lèi)裂紋的成因及修復(fù)工藝。

1 裂紋產(chǎn)生原因

1.1 材質(zhì)光譜分析

采用便攜式光譜分析儀分別分析4道開(kāi)裂焊口材質(zhì)，母材和焊縫金屬化學(xué)成分結(jié)果如表1所示。焊條R317的化學(xué)成分如表2所示。A和C為兩側(cè)母材，B為焊縫金屬，經(jīng)分析母材及焊縫金屬成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 母材及焊縫的化學(xué)成分%

表2 焊條R317的化學(xué)成分%

1.2 宏觀分析

裂紋形貌如圖2所示。裂紋均位于三通支管側(cè)的HAZ粗晶區(qū)，連通管側(cè)熔合區(qū)未見(jiàn)開(kāi)裂，擴(kuò)展方向與焊縫平行，呈縱向分布，最長(zhǎng)裂紋約130 mm，深度約5～15 mm，裂紋由外表面向內(nèi)壁擴(kuò)展。開(kāi)裂處的晶粒粗大，裂紋形狀不規(guī)則，主裂紋呈斷續(xù)狀延晶擴(kuò)展延伸，支裂紋延伸到細(xì)晶區(qū)終止，具有典型的再熱裂紋特征。

圖2 裂紋形貌

1.3 焊接及熱處理工藝

12Cr1MoVG鋼焊接性能良好，但在一定條件下也具有一定的裂紋傾向[2]。預(yù)熱溫度偏低、焊接熱輸入偏大、焊縫強(qiáng)度偏高以及焊后熱處理參數(shù)的影響極易形成再熱裂紋[3]。

三通支管焊口是按直管對(duì)接焊接工藝執(zhí)行，未采取專(zhuān)項(xiàng)措施。三通焊口與直管對(duì)接焊口不同，預(yù)熱及焊后熱處理時(shí)焊縫兩側(cè)是非對(duì)稱(chēng)傳熱，因三通支管較短（約100 mm）及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支管側(cè)加熱寬度無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求的300 mm；三通主管下半部分裝有成排的接管座，不利于安裝履帶式加熱器，且易加快散熱，若未采取專(zhuān)項(xiàng)措施則會(huì)導(dǎo)致：（1）預(yù)熱溫度偏低，接頭強(qiáng)度升高，塑韌下降；（2）焊后熱處理時(shí)溫度達(dá)不到設(shè)定值，使得應(yīng)力消除不徹底；（3）溫度分布不均勻，產(chǎn)生較大的附加熱應(yīng)力，焊后熱處理無(wú)法使之釋放，最終在焊接接頭中保持下來(lái)。該類(lèi)接頭不僅存在30℃的內(nèi)外壁溫差，還有40℃的周向溫差。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，加熱區(qū)域有較大的熱應(yīng)力，其中支管最大Von Mises應(yīng)力為182 MPa，該最大應(yīng)力均位于三通肩部近焊縫金屬處[4]。

當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)，管系整體處于500℃以上的工作溫度中，而12Cr1MoVG鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區(qū)間為500～700℃[5]。焊接接頭在該運(yùn)行溫度下引起應(yīng)力松馳，產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)域的塑性變形量εp超過(guò)該處材料的臨界塑性變形能力εc時(shí)會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋[6-7]。塑性變形量εp主要取決于應(yīng)力大小及集中度，臨界塑性變形能力εc主要取決于晶粒大小。

近15年火電行業(yè)井噴式發(fā)展，建設(shè)單位為了盡快回收成本并贏利，不斷壓縮工期，導(dǎo)致施工單位只能通過(guò)搶工期來(lái)完成施工進(jìn)度。此外，部分施工單位按當(dāng)日完成焊口數(shù)結(jié)算工資，焊工為了完成焊口數(shù)量最大化，不按工藝執(zhí)行，私自采用大熱輸入施焊。大的熱輸入量易粗化HAZ粗晶區(qū)晶粒，增大晶界的應(yīng)變，降低臨界塑性變形能力εc，從而增加再熱裂紋傾向[8]。

由金相分析可知，HAZ組織為貝氏體，未見(jiàn)鐵素體，HAZ組織中5%～8%的鐵素體能降低再熱裂紋的敏感性，貝氏體HAZ組織再熱裂紋敏感性較高[9]，表明焊接工藝及熱處理不良。

由上述分析可知，支管接頭HAZ晶粒粗大，存在焊接殘余應(yīng)力及熱處理溫度不均形成的應(yīng)力，接頭所處工況在12Cr1MoVG鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區(qū)間為500～700℃。

1.4 三通結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在管系中三通是結(jié)構(gòu)不連續(xù)、承受應(yīng)力較大的元件，是管系中的薄弱環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的三通種類(lèi)為焊制三通、擠壓三通、鍛造三通和鑄造三通4類(lèi)，不同類(lèi)型的三通有不同的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也不同。該管系中三通為熱壓三通，由熱壓三通制作工藝可知，支管高度均較低，約100 mm。鍋爐運(yùn)行過(guò)程中三通在受內(nèi)壓力軸向力作用時(shí)，最大應(yīng)力部位發(fā)生在三通肩部的內(nèi)外側(cè)和三通的腹部外側(cè)，相同工況下，三通與直管最大應(yīng)力的比值一般為3.5～5.0[10]，焊口位置正處在高應(yīng)力集中區(qū)。

三通整體結(jié)構(gòu)尺寸大、管壁厚度大，且三通支管比連通管厚10～15 mm。三通側(cè)過(guò)渡角度過(guò)大，未達(dá)到DTL869-2012規(guī)程要求，支管側(cè)HAZ粗晶區(qū)有深度2～4 mm的凹槽（見(jiàn)圖1），在兩肩部上方區(qū)域更明顯，加劇了結(jié)構(gòu)突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中，與開(kāi)裂位置吻合。

1.5 管系熱應(yīng)力

低溫過(guò)熱器至分隔屏過(guò)熱器由兩根從爐后至爐前并列的連通管構(gòu)成，以鍋爐中心線為界對(duì)稱(chēng)布置在爐左爐右，呈倒U型，如圖3所示。管系中有4道焊口是與三通支管焊接，分別是連通管與低過(guò)出口集箱及分隔屏入口集箱連接處。開(kāi)裂的4道焊口即是上述4道焊口。

圖3 低溫過(guò)熱器至分隔屏過(guò)熱器連通管

從裂紋分布看出，裂紋均產(chǎn)生在三通水平連通管延伸方向及反方向（見(jiàn)圖4），分析認(rèn)為低過(guò)至分隔屏連通管水平段較長(zhǎng)，當(dāng)三通在高溫高壓環(huán)境并伴有周期性變化載荷長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，尤其在鍋爐啟停過(guò)程中及負(fù)荷突變時(shí)，由熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短，在相對(duì)剛性管系中形成水平力，在支管接頭處則形成彎曲應(yīng)力，進(jìn)一步加大接頭處應(yīng)力，引起開(kāi)裂。

圖4 裂紋位置與連通管

2 分析和結(jié)論

連通管材質(zhì)為12Cr1MoVG鋼，該鋼材焊接性良好，但有再熱裂紋傾向。管道安裝施焊時(shí)使用過(guò)大的熱輸入量，造成HAZ粗晶區(qū)晶粒粗化，塑韌性不足，增大開(kāi)裂傾向。焊后熱處理時(shí)因焊口兩側(cè)非對(duì)稱(chēng)加熱且未采取輔助加熱措施，導(dǎo)致溫度分布不均形成熱應(yīng)力（包括焊接殘余應(yīng)力），焊后熱處理則無(wú)法使因溫度不均導(dǎo)致的熱應(yīng)力釋放，最終在焊接接頭中保持下來(lái)；該應(yīng)力與三通結(jié)構(gòu)應(yīng)力及負(fù)荷突變引起的熱應(yīng)力疊加，在支管焊接接頭區(qū)域形成應(yīng)力峰值。由于該管系工作溫度在500℃以上，處于12Cr1MoVG鋼再熱裂紋敏感溫度500～700℃區(qū)間，使得HAZ粗晶區(qū)發(fā)生應(yīng)力松馳，產(chǎn)生塑性變形，在應(yīng)力峰值的長(zhǎng)期作用下，HAZ粗晶區(qū)的應(yīng)力集中區(qū)塑性變形量εp超過(guò)了該處材料的臨界塑性變形能力εc后產(chǎn)生裂紋。根據(jù)母材的焊接性，裂紋產(chǎn)生的位置、產(chǎn)生的時(shí)間和形貌特征來(lái)看符合再熱裂紋特征，為再熱裂紋。

管系中每個(gè)三通有3道焊口，主管兩端焊口均未發(fā)生開(kāi)裂的情況，管系中直管對(duì)接接頭也無(wú)一開(kāi)裂，只有支管焊口開(kāi)裂，進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。

3 處理措施

（1）首先用超聲波檢測(cè)裂紋深度及內(nèi)部走向，確定是否需要打止裂孔，再用機(jī)械方式清除裂紋，清除過(guò)程中接近超聲確定的深度時(shí)采用滲透跟蹤檢測(cè)，直到確定裂紋已全部清除。

（2）將坡口修磨成“V”型，坡口角度 30°～40°；清除坡口面和坡口邊緣外表面15～20 mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污，并全部露出金屬光澤。

（3）施焊前預(yù)熱及焊后熱處理采用電加熱方式進(jìn)行，為保證焊口兩側(cè)溫度均勻，在三通支管側(cè)布置繩加熱器，同時(shí)在三通主管兩端增加輔助加熱器，如圖5所示，采用分區(qū)控溫方式加熱。

圖5 熱處理加熱器布置

（4）過(guò)程中采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)量坡口溫度，確保溫度與熱處理記錄儀溫度一致并達(dá)到設(shè)定值。

（5）因預(yù)熱溫度較高（300℃），不采用TIG方法補(bǔ)焊，選用SMAW方法，焊條牌號(hào)R317。焊后熱處理按名義厚度確定恒溫時(shí)間，其他工藝參數(shù)與正式焊接工藝相同。

經(jīng)上述措施修補(bǔ)后，目前機(jī)組運(yùn)行已一年有余，未發(fā)生開(kāi)裂，說(shuō)明該措施可行。

4 建議

（1）三通支管與連通管管壁不等厚產(chǎn)生的臺(tái)階應(yīng)圓滑過(guò)渡，盡量平緩，避免應(yīng)力集中。

（2）在基建或檢修焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，防止HAZ過(guò)熱區(qū)組織嚴(yán)重粗化。

（3）優(yōu)化熱處理措施，在三通主管上增設(shè)加熱器，確保溫度符合工藝要求。

（4）基建安裝后應(yīng)對(duì)照?qǐng)D紙確保鍋爐連通管能自由膨脹。

（5）此類(lèi)裂紋返修補(bǔ)焊時(shí)易再次發(fā)生開(kāi)裂，預(yù)熱溫度是關(guān)鍵，應(yīng)取焊接工藝上限。

在第一次返修時(shí)，采用TIG方法補(bǔ)焊，焊絲TIG-R31，預(yù)熱 150℃，熱處理 720℃，恒溫 3 h，升降溫速度83℃/h，MT復(fù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)再次開(kāi)裂，共3處裂紋，最長(zhǎng)約18 mm。第一次補(bǔ)焊后開(kāi)裂原因是加熱器布置不合理，未增加輔助加熱器，升溫困難，預(yù)熱溫度低，拘束度大，焊后熱處理過(guò)程中在再裂紋熱敏感區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的。

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