鍋爐高再進(jìn)口集箱管座焊縫開裂分析及處理

崔體磊，王宇冬

（國能陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631）

1 設(shè)備概況

國能陳家港發(fā)電有限公司2×660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組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，四角切向燃燒方式、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π 型直流爐。鍋爐型號為SG-2037/26.15 M626 型。高溫再熱器共82 排，每排10 管圈；集箱管接頭兩種規(guī)格，分別為φ63.5×4.5mm 和57.2×4.5mm；高溫再熱器進(jìn)口集箱及其管接頭材質(zhì)均為12Cr1MoV，累計(jì)運(yùn)行56000h[1]。

2 檢查情況

2019 年9 月1 號機(jī)組C 修時，專業(yè)人員檢查發(fā)現(xiàn)1-1（01 排01號，以此類推）、2-2、3-3 管座角焊縫正上方存在裂紋，1-1、1-4、82-5 管接頭焊縫正上方存在裂紋。電廠隨即組織了相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了專題會商，并將兩處管接頭（1-1、82-5）取樣進(jìn)行裂紋原因分析。圖1 為管接頭1-1 開裂位置現(xiàn)場照片，1-1 和82-5 材質(zhì)均為12Cr1MoVG，規(guī)格分別為φ63.5×4.5mm、φ57.2×4.5mm。

3 檢驗(yàn)分析

3.1 宏觀檢查

兩開裂管段裂紋形貌基本相同，均沿焊縫熔合區(qū)環(huán)向開裂，將兩管段縱向剖開后，對裂紋及內(nèi)外壁宏觀檢查如圖2、圖3 所示。兩接頭管宏觀上無明顯的脹粗、變形或吹損等特征。兩管段內(nèi)外壁未見明顯的宏觀焊接缺陷，焊縫周邊也未見明顯的腐蝕跡象。管1-1、82-5 外壁和內(nèi)壁測得的裂紋長度分別約75 mm（1-1 外壁）、52mm（1-1 內(nèi)壁）、62mm（82-5 外壁）和53mm（82-5內(nèi)壁），外壁裂紋長度明顯大于內(nèi)壁側(cè)。

根據(jù)上述宏觀檢查結(jié)果，對兩送檢的開裂管段取樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，取樣方案如圖4 所示，管82-5 取樣方案相同。

3.2 力學(xué)性能測試

表1 管接頭試樣維氏硬度測試結(jié)果/HV10

3.3 金相檢驗(yàn)

圖5 為1-1-J1、82-5-J1 斷口截面微觀形貌。兩斷口截面形貌相近，斷口均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，表面均明顯氧化，晶粒無明顯的塑性變形特征；斷面局部位置均有少量的沿晶二次裂紋出現(xiàn)，且二次裂紋內(nèi)部充滿氧化皮。在斷口截面近外壁側(cè)和近內(nèi)壁側(cè)位置分別觀察，通過兩斷口截面近外壁側(cè)與外壁的交界處氧化皮的分層形貌及氧化層厚度可以看出，斷口的開裂時間相對較早。

圖6 為試樣1-1-J1、82-5-J1 斷口附近焊縫及斷裂側(cè)母材微觀組織形貌照片。焊縫組織均為先共析鐵素體+貝氏體，焊縫內(nèi)未見有氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷，且焊縫與開裂側(cè)母材熔合良好，未見熔合線處存在氣孔、未熔合等缺陷；母材組織均為鐵素體+貝氏體，組織正常，貝氏體形態(tài)尚為清晰，組織老化較為輕微。

圖7 為裂紋尖端取樣1-1-J3、82-5-J3 裂紋微觀形貌照片。兩試樣裂紋均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，主裂紋尖端出現(xiàn)局部的分叉現(xiàn)象，裂紋在各個擴(kuò)展階段均以沿晶形貌擴(kuò)展，且裂紋內(nèi)部有較厚的氧化層，裂紋尖端及二次微裂紋內(nèi)部也充滿氧化層，表明裂紋形成時期較早，且擴(kuò)展速度較慢。

4 原因分析

通過對送檢管段各項(xiàng)理化性能檢驗(yàn)，對檢驗(yàn)結(jié)果綜合分析如下：

（1）兩管接頭宏觀上無明顯的脹粗、變形或吹損等特征，裂紋形貌基本相同，沿焊縫熔合線環(huán)狀開裂，且外壁側(cè)裂紋長度大于內(nèi)壁側(cè)。管段縱向剖開后，內(nèi)外壁均未見明顯的宏觀焊接缺陷，焊縫周邊也未見明顯的腐蝕跡象。由此可見，管接頭焊縫開裂的主要原因并非過熱、宏觀焊接缺陷或腐蝕所致。

（2）兩開裂管焊縫硬度值明顯高于開裂側(cè)母材硬度值，1-1、82-5 焊縫硬度較高位置硬度值分別達(dá)261HBW、281HBW。根據(jù)DL/T 869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，“同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100HBW，且不超過下列規(guī)定：合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW”，1-1-J3 試樣的焊縫硬度（261HBW）接近兩側(cè)母材平均硬度值（161.5HBW）加100HBW（261.5HBW），82-5-J2、82-5-J3 焊縫硬度值超出上限270HBW 的規(guī)定。焊縫硬度過高反映出接頭內(nèi)部可能存在較高的殘余應(yīng)力。

（3）兩個管接頭試樣焊縫組織均為先共析鐵素體+貝氏體，焊縫與母材熔合良好，未見焊縫及熔合區(qū)有夾渣、氣孔等缺陷，母材顯微組織為鐵素體+貝氏體，組織球化級別相對較輕，未見明顯異常。

（4）兩管段裂紋形貌基本相同，裂紋位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，主裂紋邊緣存在少量的二次裂紋，裂紋均以沿晶形貌擴(kuò)展，且主裂紋和二次裂紋內(nèi)部均充滿氧化層，裂紋形貌符合12Cr1MoVG 再熱裂紋的典型形貌特征。通過裂紋表面氧化皮的厚度及形貌判斷，裂紋開裂時間較早，并發(fā)生了緩慢擴(kuò)展。通過斷口及二次裂紋走向可以判斷，裂紋為外壁啟裂，向內(nèi)壁側(cè)擴(kuò)展。

（5）12Cr1MoVG 鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區(qū)間為500℃～700℃，部件在焊后熱處理或長期處于該溫度區(qū)間運(yùn)行，且部件內(nèi)部存在較高的應(yīng)力時，則易在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)開裂。送檢的兩開裂管段運(yùn)行溫度約540℃，處于12Cr1MoVG鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區(qū)間，且焊縫位置可能存在較高的焊接殘余應(yīng)力，加之鍋爐運(yùn)行時溫度的波動、汽水的沖擊振動等都會引起焊接接頭位置應(yīng)力集中，因此，兩焊接接頭滿足再熱裂紋形成的溫度和應(yīng)力條件。

（6）綜上可以看出，本次焊縫開裂的性質(zhì)為再熱裂紋，其產(chǎn)生原因與12Cr1MoVG 鋼本身的焊接特性、焊縫硬度過高產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力、鍋爐啟停和調(diào)峰時溫度波動及運(yùn)行時汽水振動引起的接頭內(nèi)應(yīng)力等多種應(yīng)力因素有關(guān)，并長期在再熱裂紋產(chǎn)生的敏感溫度下運(yùn)行，最終引起再熱裂紋在焊接接頭的粗晶區(qū)形成并擴(kuò)展，導(dǎo)致焊縫開裂。

5 處理方案

5.1 管座角焊縫裂紋修復(fù)

（1）在集箱角焊縫直管側(cè)下切口位置，對原集箱裂紋角焊縫處采用機(jī)械切割，對管座原有焊縫全部磨除，并對管座內(nèi)邊緣進(jìn)行打磨（磨內(nèi)角），坡口角度30°左右，同時坡口范圍內(nèi)10mm～15mm 內(nèi)全部清理干凈，并對其進(jìn)行PT 檢測。

（2）對新領(lǐng)用的管接頭直管（光譜檢驗(yàn)合格）上下兩端坡口打磨，坡口角度30°～35°。

（3）對管座及下方對接進(jìn)行點(diǎn)焊，點(diǎn)焊前對口間隙應(yīng)在2mm～2.5mm 范圍內(nèi)，同時確保點(diǎn)焊前焊縫不得強(qiáng)制對口。

（4）采用氬弧打底，電弧焊填充、蓋面焊接工藝。施焊前的預(yù)熱溫度推薦為：150℃～250℃（填充）。各預(yù)熱溫度力求均勻，采用火焰加熱方法進(jìn)行。

（5）為保證后一焊道焊縫對前一焊道焊縫起到回火作用，焊接時每層焊道厚度的控制為不大于焊條直徑（對于12Cr1MoVG鋼焊層厚度一般控制在4mm 以下）。焊道寬度不得超過焊條直徑的3 倍。

（6）焊接中應(yīng)將每層焊道接頭錯開10mm～15mm，焊縫接頭過渡要平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”。

（7）焊接完成后，應(yīng)立即對其進(jìn)行火焰熱處理，加熱過程中利用熱成像儀進(jìn)行溫度監(jiān)測，加熱完成后對其進(jìn)行保溫包敷緩冷至常溫。熱處理工藝：加熱方法：火焰加熱；升溫速度：≤140℃/h；加熱寬度：≥100mm；恒溫溫度：670～700℃；恒溫時間：10min；保溫層寬度：≥150mm；保溫層厚度：≥50mm。

5.2 管接頭裂紋修復(fù)

對管接頭裂紋焊縫采用機(jī)械切割，將原焊縫全部磨除，重新打好坡口后進(jìn)行氬弧焊接，注意避免強(qiáng)制對口。

6 結(jié)論

（1）根據(jù)取樣檢驗(yàn)結(jié)果以及現(xiàn)場檢查情況，機(jī)組啟停爐以及調(diào)峰等負(fù)荷變化時高再進(jìn)口集箱與其管屏膨脹位移不協(xié)調(diào)，使其管座角焊縫管側(cè)焊趾和管接頭焊縫焊趾處存在交變的應(yīng)力作用并產(chǎn)生疲勞損傷是此次焊縫開裂的外部誘因和主要原因。

（2）根據(jù)取樣檢驗(yàn)結(jié)果，送檢焊縫硬度較高，焊接規(guī)范大，焊后殘余應(yīng)力較大；同時，焊縫長期在再熱裂紋產(chǎn)生的敏感溫度下運(yùn)行，可判斷焊縫硬度超標(biāo)以及長期在敏感溫度下運(yùn)行是其開裂的內(nèi)因和次要原因。

（3）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本次處理采用了火焰加熱方法進(jìn)行了焊前預(yù)熱和焊后熱處理，能夠滿足焊接要求；焊縫金屬無損檢測合格，硬度檢測結(jié)果正常。