減溫器聯(lián)箱出口管道彎頭與鋼板焊接角焊縫裂紋原因分析及處理

劉立海

(大唐臨清熱電有限公司， 山東 聊城 252620)

鍋爐的過熱蒸汽Ⅱ級減溫器是調(diào)整過熱蒸汽出口溫度的重要部件，布置在屏式過熱器出口至高溫過熱器進(jìn)口集箱的連接管上，鍋爐給水通過噴嘴上的小孔噴出水霧，在文丘里管的喉部與高速蒸汽混合，水滴的霧化使過熱蒸汽溫度降低，當(dāng)過熱蒸汽超過規(guī)定溫度時(shí)，就要通過向過熱蒸汽噴水來調(diào)節(jié)降低溫度。Ⅱ級減溫器是保證過熱蒸汽溫度限定在安全范圍內(nèi)的重要部件，由于其聯(lián)箱內(nèi)運(yùn)行的是高溫高壓過熱蒸汽，一旦開裂會發(fā)生爆裂，導(dǎo)致大型熱力設(shè)備損壞及重大人員傷亡事故。某熱電有限公司2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)工程1號超臨界鍋爐，機(jī)組尚未投產(chǎn)，金屬檢驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)鍋爐Ⅱ級減溫器聯(lián)箱出口管道彎頭與支撐吊掛鋼板焊接角焊縫處出現(xiàn)裂紋，本文對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并介紹彎頭與支撐吊掛鋼板的處理更換過程。

1 問題概述

該1號鍋爐型號為SG-1165/25.4-M4420，是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐。鍋爐設(shè)計(jì)最大蒸發(fā)量1 165 t/h；過熱蒸汽壓力25.40 MPa，溫度571 ℃；Ⅱ級減溫器聯(lián)箱材質(zhì)為SA335-P91鋼，規(guī)格為Φ365 mm ×45 mm，支撐吊掛鋼板的材質(zhì)為SA182-F91，板厚為40 mm。因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因，支撐吊掛鋼板焊接在Ⅱ級減溫聯(lián)箱出口管道彎頭45°處(見圖1)。

圖1 支撐吊掛鋼板焊接位置

2016年8月，該機(jī)組啟動前15個工作日檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)1號鍋爐Ⅱ級減溫器聯(lián)箱出口管道彎頭與支撐吊掛鋼板焊接角焊縫存在裂紋缺陷，通過滲透檢測、跟蹤打磨，確認(rèn)吊掛鋼板與管道彎頭焊接角焊縫處存在1條13 cm長的裂紋，裂紋宏觀形貌見圖2。

圖2 角焊縫裂紋宏觀形貌

考慮到工期因素決定采取就地處理方案，對管道彎頭與支撐吊掛鋼板焊接角焊縫裂紋打磨消除，重新補(bǔ)焊。在補(bǔ)焊過程中又產(chǎn)生多處二次裂紋，DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定焊接接頭有超標(biāo)缺陷時(shí)，可采取挖補(bǔ)方式返修，但是同一位置的挖補(bǔ)次數(shù)一般不得超過3次，因此決定更換彎頭及吊掛鋼板。

2 裂紋成因分析

a.根部未焊透。制作焊件的過程中如未能按照設(shè)計(jì)規(guī)范施工，會出現(xiàn)根部未焊透的現(xiàn)象，該焊件沿根部有大量未焊透坡口連續(xù)出現(xiàn)；在熱處理過程中工藝如未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)力釋放不完全，從根部未焊透的位置出現(xiàn)初期裂紋，隨著應(yīng)力釋放裂紋擴(kuò)展至外部焊道。

b.殘余應(yīng)力作用。初期發(fā)現(xiàn)的裂紋均在角焊縫熔合線處，特別是在坡口打磨的較狹窄部位，有沿晶開裂的裂紋；彎頭結(jié)構(gòu)尺寸大，管壁及板厚度大，熱處理、預(yù)熱溫度不夠或非對稱的施焊等會使焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力，在集箱管彎頭與吊掛板接頭焊縫處剖口變窄與焊接熔池冷卻速度不同等因素，會造成較大的應(yīng)力集中，較高的焊接殘余應(yīng)力對裂紋的形成 ，特別是對裂紋的擴(kuò)展起到促進(jìn)作用 。

c.焊接應(yīng)力作用。補(bǔ)修裂紋的產(chǎn)生原因是由于焊接人員不足，實(shí)際焊接施工只有一個人，為了保證堆焊厚度一致性，采取了預(yù)熱后反復(fù)單面施焊作業(yè)，每施焊一層再到對面繼續(xù)施焊，由于板厚焊接工作量很大，不對稱施焊造成了焊后存在較大的焊接應(yīng)力，而在集箱管彎頭與吊掛板接頭焊縫處剖口兩面焊接熔池冷卻速度不同，造成較大的應(yīng)力集中，較高的焊接應(yīng)力對裂紋的形成起了主要作用。

d.預(yù)熱溫度不一致。由于管件厚度、體積比較大，形狀不規(guī)則，現(xiàn)場熱處理時(shí)采用陶瓷熱管纏繞，受熱不均勻，造成內(nèi)外冷熱不均，導(dǎo)致二次裂紋的產(chǎn)生；另外，元件設(shè)計(jì)形狀過于緊湊復(fù)雜，在彎頭上又加裝較厚的支撐板，本身就存在較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

3 處理措施

考慮到管件尺寸、實(shí)際受力情況及焊接帶來的不良影響，將減溫器聯(lián)箱出口彎頭加垂直短管整體更換。將彎頭及直管段整體沿焊接接口切割，由生產(chǎn)廠家對異形管件(彎頭加短管)進(jìn)行整體加工預(yù)制，整體管件檢驗(yàn)合格后運(yùn)至現(xiàn)場?，F(xiàn)場進(jìn)行光譜分析，材質(zhì)合格；進(jìn)行超聲波、滲透、磁粉無損檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，布氏硬度檢測合格。尺寸余量加工、修磨、清理后進(jìn)行現(xiàn)場更換，更換管件的焊接過程如下。

a.焊前預(yù)熱。采用陶瓷電阻加熱設(shè)備在環(huán)焊縫兩側(cè)預(yù)熱，環(huán)向包覆，預(yù)熱溫度不小于200 ℃；預(yù)熱時(shí)共搭載2組熱電偶：1組在坡口下側(cè)表面20 mm位置，對稱位置搭載另1組熱電偶，熱電偶與加熱層不能直接接觸，必須有至少2 mm隔熱物質(zhì)隔離，確保測溫不受加熱板加熱干擾。

b.施焊工藝。采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)加焊條電弧焊(SMAW)方法焊接，GTAW采用純氬氣保護(hù)，控制氣體流量6～12 L/min，背面采用氬氣或免充氬保護(hù)劑進(jìn)行根部保護(hù)；焊接材料及規(guī)范見表1。焊接過程中，采用小幅度運(yùn)條，焊條擺動不得超過其直徑的3倍，及時(shí)清理焊道間，必要時(shí)用砂輪機(jī)打磨。

表1 焊接材料及規(guī)范

c.消氫處理。焊后在焊縫冷卻到80～120 ℃，保溫1 h后，進(jìn)行250～350 ℃ 2 h消氫處理。消氫時(shí)采用陶瓷電阻加熱法在環(huán)縫兩側(cè)加熱，環(huán)向包覆，共計(jì)搭載3組熱電偶，沿焊縫120°均勻分布在環(huán)縫表面。

d.焊后熱處理。采用陶瓷電阻加熱法進(jìn)行局部去應(yīng)力熱處理。直管段與彎頭處現(xiàn)場焊口熱處理時(shí)采用在環(huán)縫搭載3組熱電偶，1組為控溫?zé)犭娕?，其?組為測溫?zé)犭娕肌y溫?zé)犭娕嘉挥阡摪迮c彎頭焊縫處，近彎頭與異管徑環(huán)焊縫方向，采用獨(dú)立設(shè)置，只測量、記錄點(diǎn)溫度情況。加熱寬度范圍應(yīng)覆蓋以坡口為基準(zhǔn)至四周至少280 mm范圍；保溫包覆應(yīng)覆蓋加熱范圍及周邊至少230 mm范圍，保溫材料包覆以減少散熱。熱處理參數(shù)設(shè)置：當(dāng)溫度升值300 ℃后，控制升溫速度小于120 ℃/h，至溫度755±10 ℃恒溫?zé)崽幚恚缓銣貢r(shí)間不少于5 h；隨后控制減溫速度小于130 ℃/h至300 ℃，包覆緩冷至室溫。

e.質(zhì)量驗(yàn)收。修磨焊縫處至滿足無損檢測要求，24 h后進(jìn)行100%滲透+超聲波檢測；對母材和焊道做硬度檢測。以上檢測均應(yīng)符合DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定。

4 結(jié)束語

該1號鍋爐Ⅱ級減溫器聯(lián)箱出口管道彎頭與鋼板焊接角焊縫裂紋缺陷綜合處理后，現(xiàn)已經(jīng)累計(jì)投入運(yùn)行10 142 h，經(jīng)多次檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)缺陷，證明原因分析正確，施工工藝得當(dāng)有效。針對復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)件的施工要想保證焊接質(zhì)量，必須要有工藝評定，嚴(yán)格遵守焊接及熱處理工藝；同時(shí)熱處理、焊接要充分考慮異種管件的形狀，綜合分析制定有針對性的方案和措施。