基于大數(shù)據(jù)分析的鍋爐再熱器焊縫開裂失效研究

劉曉莎，王 林，田永毅，汪曉紅，夏東盛

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，排放不達(dá)標(biāo)的小火電廠陸續(xù)關(guān)停，高參數(shù)、大容量的燃煤發(fā)電機(jī)組正成為滿足國民經(jīng)濟(jì)電力需求的主力軍[1]。某地區(qū)依托國家科技支撐計劃“1 000 MW高效寬負(fù)荷率的超超臨界機(jī)組開發(fā)與應(yīng)用”課題，新建2臺超超臨界1 000 MW等級的高效環(huán)保工程示范機(jī)組，通過技術(shù)集成創(chuàng)新顯著提高了機(jī)組的深度調(diào)峰能力[2-3]。該工程2號機(jī)組鍋爐選用了型號為DG2906/29.3-II3的國產(chǎn)新一代直流爐，其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

該工程鍋爐為一次中間再熱、全鋼構(gòu)架、π型布置的直流爐。整體布置如圖1所示。

高溫再熱器為U型管屏，每屏由16根管繞制而成，自左向右布置在水平煙道，共計74片管屏，屏長約20 m。高溫再熱器管屏結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 鍋爐整體布置

圖2 高溫再熱器管屏構(gòu)成

高溫再熱器的制造材料具體信息如表2所示。

表2 高溫再熱器管材規(guī)格

1 再熱器焊縫開裂過程

2019年8月9日，該工程2號機(jī)組在“168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行”考驗(yàn)期間，高溫再熱器發(fā)生爆管，停爐冷卻后，進(jìn)行了管屏檢修。8月26日，維修工作結(jié)束后，為消除隱患，開展了再熱器系統(tǒng)水壓試驗(yàn)，充水壓力為4.2 MPa。打壓過程中聽到爐內(nèi)高溫再熱器區(qū)域有泄漏聲，開人孔門進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)2根管焊縫區(qū)域往外噴水，具體情況如圖3和圖4所示。

圖3 編號44-4管泄漏

圖4 編號44-10管泄漏

泄漏點(diǎn)的具體位置在高溫再熱器第44片管屏中第4號(編號44-4)和第10號(編號44-10)管的入口段。確認(rèn)泄漏后，再熱器系統(tǒng)水壓試驗(yàn)停止，鍋爐放水結(jié)束后，對泄漏部位進(jìn)行了取樣化驗(yàn)，分析了泄漏原因，并制定了合理的維修方案。

2 泄漏管段檢測

為分析再熱器焊縫開裂失效原因，對現(xiàn)場采集的管段進(jìn)行了多項理化檢驗(yàn)。

2.1 宏觀檢查

為查明裂紋具體形態(tài)，對管子泄漏部位及其附近區(qū)域橫向剖開。從剖面圖5上可以清楚看到，兩處焊縫裂紋均是從內(nèi)壁起裂，沿熔合線向外壁擴(kuò)展。

圖5 焊縫處剖面

2.2 金相檢查

選取編號44-10-b焊縫泄漏管樣做金相檢測，焊縫熔合區(qū)拋光態(tài)如圖6所示。

圖6 焊縫熔合區(qū)裂紋拋光態(tài)形貌

從圖6可見，熔合區(qū)存在明顯裂縫，主裂紋兩側(cè)有較多沿晶小裂紋。主裂紋起始于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，從內(nèi)壁向外壁沿晶擴(kuò)展，最終沿熔合線擴(kuò)展。熔合區(qū)部位存在大量黑色網(wǎng)狀氧化物，熱影響區(qū)晶界在拋光態(tài)下清晰可見，具有焊接能量過高，發(fā)生晶界“過燒”的相關(guān)特征[4-6]。檢驗(yàn)了其他試樣，結(jié)果均類似。

焊接熱影響區(qū)拋光態(tài)及腐蝕后對比形貌如圖7所示，由圖7可知，晶粒間結(jié)合不良，使得彼此間邊界十分清晰，這是焊接熔合異常的表現(xiàn)[7-8]。

圖7 焊接熱影響區(qū)形貌

2.3 室溫拉伸試驗(yàn)

對編號44-4管進(jìn)出口段、編號44-10管取樣進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果如表3所示。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

編號44-5管子拉伸試驗(yàn)具體情況如圖8所示。從圖8可清晰觀察到發(fā)黑區(qū)域。

圖8 拉斷試樣形貌

將編號44-5管拉伸后斷口發(fā)黑區(qū)域取樣，進(jìn)行金相檢查，如圖9所示。斷面附近拋光態(tài)可見清晰晶界及晶界氧化物。

圖9 斷面發(fā)黑區(qū)域形貌

利用大數(shù)據(jù)分析基本原理，匯總各項理化檢驗(yàn)結(jié)果[9-10]，認(rèn)為焊縫部位熔合區(qū)域存在大量沿晶裂紋，主裂紋失效原因?yàn)楹附庸に囘x取了“一道焊”，使得焊接的線能量過高，晶界部分熔化，結(jié)合處熔合不良。焊接過程工藝質(zhì)量控制不當(dāng)是此次失效的主要原因。

3 維修方案

對上述裂紋處管子進(jìn)行重新焊接，改用多層多道手工焊接工藝，降低焊接線能量，嚴(yán)格控制層間溫度，確保焊接處熔合良好。焊接后的所有焊口均利用射線探傷進(jìn)行檢測，未出現(xiàn)異常，證明多層多道焊的焊接質(zhì)量能夠滿足要求。

4 結(jié) 論

爐管泄露是機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行的主要威脅之一，根據(jù)高溫再熱器泄露管的外觀檢查、金相分析及機(jī)械性能測試，最終認(rèn)為焊縫出現(xiàn)裂紋失效的主要原因?yàn)椋汉附邮枪に囐|(zhì)量控制不當(dāng)，致使焊接線能量過高，兩根管對口部位熔合不良。對同類型焊口切除后，按照多層多道焊工藝進(jìn)行了重新焊接。經(jīng)射線檢測，焊接質(zhì)量優(yōu)良，高溫再熱器能夠滿足安全運(yùn)行的要求，相關(guān)分析經(jīng)驗(yàn)可供同類機(jī)組參考。