低壓鍋爐制造中汽包環(huán)焊縫熱裂紋的探討

洪銘建(廣東省特種設(shè)備檢測研究院揭陽檢測院，廣東 揭陽 522021)

0 引言

鍋爐汽包內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及流程都十分復(fù)雜，因?yàn)殄佂脖诤?、剛性大，在高壓力以及高溫度梯度場的作用下會出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力，工作條件十分惡劣。在鍋爐機(jī)組異常開啟、停止過程中各項(xiàng)參數(shù)變化浮動較大，異常停車狀況更加劇烈，這時(shí)候汽包壓力以及溫度不斷變化交替，同時(shí)受到多種不同規(guī)格的管道接口、蓄熱能力以及自重等因素的影響，都會使氣泡產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重影響到氣泡使用壽命。因此，通過加強(qiáng)對汽包環(huán)焊縫熱裂紋修復(fù)工藝的研究，消除裂紋增加氣包使用壽命，確保機(jī)組的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 汽包裂紋類型

汽包裂紋(圖1)要包括：熱裂紋、冷裂紋以及再熱裂紋三種類型，其中低壓鍋爐制造過程中主要是熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋主要是因?yàn)槭艿礁邷氐挠绊?，其溫度無法預(yù)測，但是因?yàn)榱鸭y表面的氧化，并且裂縫里面充滿了熔渣，溫度一般都1200℃左右，因?yàn)槿墼虦囟鹊陀?000℃。冷裂紋是低合金鋼焊接的主要問題，從材料自身因素來講，引起冷裂紋的主要因素就是淬硬組織、殘余應(yīng)力以及介質(zhì)環(huán)境。

1.1 熱裂紋

20g 熱軋、正火鋼往往都含有較高的錳，而含碳量都比較低。只有在材料中碳含量過高，超過0.12%，S、P 含量過高或者局部C、S 含量超出時(shí)，導(dǎo)致Mn/S 降低，從而進(jìn)一步出現(xiàn)熱裂紋現(xiàn)象。遇到這種情況就要從焊接工藝上設(shè)法降低熔合比、降低焊接線能量，選用低碳或者高錳的焊接材料，以降低碳的含量，以防止熱裂紋的出現(xiàn)。

1.2 冷裂紋

隨著鍋爐壓力容器強(qiáng)度的增加，萃取硬度也逐漸增加。當(dāng)冷卻速率較大時(shí)，熱影響區(qū)出現(xiàn)貝氏體和大量馬氏體組織。特別是形成粗大的孿晶馬氏體以后，其缺口敏感性增加，催化作用嚴(yán)重，就是焊接殘余應(yīng)力作用下的冷裂紋現(xiàn)象。

2 汽包環(huán)焊縫熱裂紋具體應(yīng)用分析

某企業(yè)自備電站鍋爐型號為DHX35-1.25-W，2019年6月對鍋爐檢修時(shí)根據(jù)要求對汽包進(jìn)行內(nèi)檢。經(jīng)過磁粉探傷抽查檢測發(fā)現(xiàn)，在焊縫與母材結(jié)合位置有一條縱向延伸長為12mm，寬為1mm 的裂縫。根據(jù)電子探針檢測發(fā)現(xiàn)，裂紋表面有大量的氧化物，焊縫接線能量在35%左右，較大。經(jīng)過對裂紋形態(tài)以及開口形式的分析，這條裂紋是熱裂紋。經(jīng)拋光機(jī)拋光后，再用E5015 電極焊接拋光修復(fù)裂紋，磁粉探傷檢驗(yàn)合格。

2.1 焊接因素影響

結(jié)合工程實(shí)際情況嚴(yán)格控制焊接速度。如焊接速度過快就會加大熱裂紋產(chǎn)生的系數(shù)。因?yàn)?，焊接速度加大以后熔池深度也會增加，焊縫寬度變小，進(jìn)一步導(dǎo)致深度以及寬度比的加大，從而導(dǎo)致熱裂紋出現(xiàn)。這進(jìn)一步增加了深度和寬度比，導(dǎo)致熱裂紋。另外，隨著焊接速度的增加，冷卻速度也會增加，這也增加了裂紋產(chǎn)生的幾率。

合理控制焊根間隙。如果焊縫根部出現(xiàn)間隙，將直接影響結(jié)晶過程。此外，還會降低焊縫中心線的吸熱效果，延遲熔池內(nèi)的凝固時(shí)間，增加裂紋發(fā)生的概率。因此，有必要對根間隙進(jìn)行合理控制。

焊縫尺寸大小。在同樣的焊接情況下，焊接截面面積越大出現(xiàn)裂紋的幾率就會越高，隨著焊接截面面積的變化焊接性狀以及焊接成分也會發(fā)生變化，這些因素的變化都會影響到裂紋的敏感性。

焊接結(jié)構(gòu)剛性。焊接結(jié)構(gòu)剛性大小也會直接影響焊縫熱裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率。焊接結(jié)構(gòu)越剛硬，殘余應(yīng)力越大，殘余應(yīng)力釋放越困難，導(dǎo)致焊接接頭更容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

2.2 汽包裂紋修復(fù)技術(shù)

修復(fù)前準(zhǔn)備工作。首先，在汽包裂紋可疑位置進(jìn)行磁粉以及超聲波檢測，通過檢測結(jié)果精準(zhǔn)定位裂紋具體位置，并用記號筆標(biāo)注出來；然后，對裂紋區(qū)域的母材進(jìn)行厚度和硬度測量，并做好詳細(xì)記錄；最后，利用電加熱包扎裂紋區(qū)域同時(shí)覆上保溫棉，進(jìn)行2h 的350℃恒溫處理。

缺陷清除步驟。利用砂輪機(jī)對裂縫區(qū)域進(jìn)行打磨，打磨深度至0.5cm(圖2)的時(shí)候，對焊縫表面進(jìn)行著色處理，發(fā)現(xiàn)仍然存在較長的裂紋，需要繼續(xù)打磨直到清除所有缺陷，同時(shí)清除結(jié)果必須得到特檢院確認(rèn)。在對焊縫裂紋深度打磨到1.2cm 的時(shí)候，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)裂紋消失。裂紋缺陷清除以后，根據(jù)裂紋凹槽的形狀修磨成U形，清除坡口周邊10cm 范圍以內(nèi)所有的銹跡以及附著物。

圖2 焊縫裂紋打磨深度0.5cm

修復(fù)步驟如下：第一，焊接之前進(jìn)行預(yù)熱。為了防止母材與焊縫溫差過大，需要對焊接部位15cm 范圍進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)預(yù)熱溫度控制在100～150℃之間。因?yàn)榱鸭y在汽泡的內(nèi)部，在實(shí)際現(xiàn)場操作時(shí)不適合放置電加熱帶，因此，為了方便操作，利用中號烤把的乙炔+氧氣中性火焰燃燒逐步進(jìn)行加熱，利用人工測溫槍密切觀察加熱的溫度。第二，對焊縫補(bǔ)焊處理。采用合理的修復(fù)技術(shù)對汽泡焊接進(jìn)行修復(fù)，焊接時(shí)電流控制在150A，補(bǔ)焊完成以后利用電加熱帶進(jìn)行二十四小時(shí)350℃恒溫?zé)崽幚?，對焊縫進(jìn)行消氫處理。最后再把補(bǔ)焊區(qū)域打磨圓滑。第三，焊后熱處理。根據(jù)鍋爐原制造廠焊接工藝評定進(jìn)行編制熱處理工藝卡，根據(jù)工藝卡操作焊后熱處理工藝。利用整圈包扎的方式對氣泡筒體環(huán)縫補(bǔ)焊位置進(jìn)行熱處理；補(bǔ)焊位置內(nèi)外分別設(shè)置一支電熱偶；加熱部位寬度設(shè)計(jì)在14cm 以上，確保寬度大于加熱寬度的，升溫速率控制在65℃/h，左右，保溫溫度在620℃左右，恒溫時(shí)間在3h 左右，降溫速率控制在55～95℃/h 之間。

焊前預(yù)熱：為了有效防止因母材與焊縫溫差過大，需要對修復(fù)部位15cm 范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100～150℃。因?yàn)榱鸭y在汽包里面，且現(xiàn)場施工環(huán)境不適合放置電加熱帶，為了方便操作，利用中號烤把的乙炔＋氧氣中性火焰燃燒進(jìn)行緩慢加熱，然后用手動溫度槍密切監(jiān)測加熱溫度。

補(bǔ)焊處理：根據(jù)原廠家提供的焊接工藝以及定制的修復(fù)措施，編制汽包焊接修復(fù)工藝卡，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行焊接。焊接電流一般控制在140～170A。補(bǔ)焊工作完成以后立即采用電加熱區(qū)進(jìn)行350℃恒溫2h 熱處理，同時(shí)，對焊縫進(jìn)行消氫。最后，對修復(fù)焊接區(qū)域進(jìn)行拋光打磨，使其圓滑過渡。

3 幾點(diǎn)建議

控制焊縫金屬成分。首先，控制母材的金屬成分，這是影響焊縫抗裂性的關(guān)鍵因素，在低碳鋼焊縫中加入Mn，同時(shí)保持一定比例的Mn/S 值，可以有效防止裂縫的出現(xiàn)。其次，控制焊條、焊劑的金屬成分?？刂坪笚l、焊劑的金屬成分是焊縫金屬成分的主要因素。在焊條和焊劑等焊接材料的選擇上，選擇低碳、低硫或高錳的焊接材料，以減少焊縫中碳和硫的含量，防止熱裂紋的發(fā)生。控制結(jié)晶過程，控制好熔合比，選擇合適的焊根間隙、焊接坡口，規(guī)范焊接操作步驟，因?yàn)檫@些因素都會直接影響到焊接冷卻的速度、時(shí)間，在一定程度上可以有效降低熱裂紋的出現(xiàn)?？刂谱冃?，在制造結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛性會隨著焊縫的增多而逐步增大，造成裂紋的幾率也就越大。因此，對于一些易受熱裂紋影響的焊接接頭，應(yīng)適當(dāng)減小電流，以降低鋼結(jié)構(gòu)變形的概率，進(jìn)一步減少熱裂紋發(fā)生的幾率。

4 結(jié)語

總之，對鍋爐制造過程中焊接質(zhì)量的控制和控制，應(yīng)從實(shí)際出發(fā)做好常見缺陷控制和預(yù)防工作。在生產(chǎn)過程中， 通過焊接材料質(zhì)量控制；做好焊接設(shè)備管理以及焊接過程控制等措施，加強(qiáng)鍋爐制造整體質(zhì)量控制。