660 MW 超超臨界機(jī)組鍋爐集箱管座大面積裂紋分析

羅洪輝， 龍會(huì)國(guó)， 王鵬

(1. 湖南華電平江發(fā)電有限公司， 湖南 岳陽(yáng)414000；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410007；3. 湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙410004；4. 華能湖南岳陽(yáng)發(fā)電有限責(zé)任公司， 湖南 岳陽(yáng)414000)

0 引言

超超臨界機(jī)組鍋爐容量大、 運(yùn)行壓力大、 溫度高, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 使用了大量新型高合金耐熱鋼, 部件壁厚較厚, 制造及安裝時(shí)拘束度大。 因此, 對(duì)焊接及其熱處理過(guò)程控制要求更加嚴(yán)格, 對(duì)原材料及焊接質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求, 又由于國(guó)產(chǎn)超超臨界機(jī)組大多引進(jìn)國(guó)外技術(shù), 國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)、 制造以及安裝技術(shù)不夠成熟, 新技術(shù)、 新材料、 新工藝快速引進(jìn), 而吸收掌握程度不夠, 從而產(chǎn)生一些制造及安裝缺陷。 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)超超臨界機(jī)組鍋爐安全性能檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的典型問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)歸納,對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的原因及處理措施均提出了不同見(jiàn)解[1-7], 但大量集箱尤其是SA-106C、 12Cr1MoVG材質(zhì)集箱大面積短接管座制造角焊縫裂紋的情況未見(jiàn)報(bào)道。 本文通過(guò)對(duì)某660 MW 超超臨界機(jī)組鍋爐SA-106C、 12Cr1MoVG 材質(zhì)集箱大面積管座裂紋取樣, 研究其裂紋形態(tài)及其產(chǎn)生原因, 并提出處理措施, 保證集箱返修及后續(xù)集箱制造質(zhì)量, 確保了機(jī)組投產(chǎn)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 試驗(yàn)方法與分析

1.1 宏觀檢查

某660 MW 超超臨界機(jī)組鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐, 一次再熱, 單爐膛, 尾部雙煙道結(jié)構(gòu), 采用平行擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫, 固態(tài)排渣, 全鋼構(gòu)架, 全懸吊結(jié)構(gòu), 平衡通風(fēng), 露天布置。 最大連續(xù)蒸發(fā)量2 035 t/ h, 高溫過(guò)熱器出口蒸汽壓力為26. 15 MPa、 溫度為605 ℃, 高溫再熱器出口蒸汽壓力為5. 53 MPa、 溫度為603 ℃。 基建過(guò)程中檢查發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組鍋爐低、 中溫段集箱存在大面積管座角焊縫裂紋, 均為鍋爐廠分包產(chǎn)品, 每臺(tái)鍋爐分包生產(chǎn)的集箱共64 個(gè), 其中SA-106C 材質(zhì)集箱10 個(gè)、 12Cr1MoVG 材質(zhì)集箱54 個(gè), SA-106C材質(zhì)集箱管座角焊縫裂紋率最高達(dá)87. 67%、 最低為20. 72%, 12Cr1MoVG 材質(zhì)集箱管座角焊縫裂紋率最高達(dá)49. 25%、 最低為26. 37%。

部分裂紋位于集箱短接管側(cè)熔合線附近, 部分裂紋位于集箱母材側(cè)熔合線附近, 裂紋均呈環(huán)向開(kāi)裂。 圖1 所示為1 號(hào)鍋爐低再進(jìn)口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌, 集箱及短接管材質(zhì)為12Cr1MoVG,裂紋長(zhǎng)約75 mm； 圖2 所示為1 號(hào)爐省煤器進(jìn)口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌, 集箱規(guī)格材質(zhì)為Φ457×85 mm、 SA-106C, 裂紋位于集箱側(cè)熔合線上。 安裝現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)的2 號(hào)爐省煤器出口集箱管座角焊縫存在裂紋的比例最大, 集箱規(guī)格材質(zhì)為Φ324×68 mm、 SA-106C。 共檢查了300 個(gè)省煤器出口管(Φ44. 5×7 mm、 SA-210C), 發(fā)現(xiàn)263 個(gè)省煤器出口管座角焊縫存在不同程度的表面裂紋類缺陷, 不合格率達(dá)87. 67%。 裂紋出現(xiàn)在管座角焊縫集箱側(cè)熔合線上, 長(zhǎng)度5 ～15 mm, 經(jīng)對(duì)部分裂紋類缺陷打磨后確認(rèn), 裂紋深度1～7 mm。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)材質(zhì)為12Cr1MoVG 集箱及其短接管、 角焊縫進(jìn)行光譜分析, 均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 見(jiàn)表1。

圖1 1 號(hào)爐低再進(jìn)口集箱管座角焊縫 裂紋宏觀形貌

圖2 1 號(hào)爐省煤器進(jìn)口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌

表1 12Cr1MoVG 材質(zhì)集箱化學(xué)成分含量 %

1.3 顯微組織分析

對(duì)省煤器進(jìn)口集箱(規(guī)格為Ф559×86 mm、 材質(zhì)為SA-106C) 與短接管(規(guī)格為Ф44. 5×7 mm、材質(zhì)為SA-210C) 角焊縫進(jìn)行金相試驗(yàn)。 裂紋位于管座角焊縫集箱側(cè)熔合線上, 試樣經(jīng)常規(guī)金相方法制成, 用4%硝酸酒精溶液侵蝕, 在現(xiàn)場(chǎng)金相顯微鏡上觀察。

圖3 所示為裂紋顯微組織, 從圖3 可知, 裂紋側(cè)焊縫組織為網(wǎng)狀鐵素體+貝氏體組織, 且具有明顯的淬硬性組織。 焊縫存在魏氏體組織, 說(shuō)明焊接過(guò)程中熱輸入量過(guò)大, 焊縫組織存在過(guò)熱現(xiàn)象。 裂紋沿晶界開(kāi)裂, 裂紋內(nèi)壁存在明顯的氧化膜, 且裂紋兩側(cè)組織存在明顯的脫碳。 可見(jiàn), 裂紋在集箱整體熱處理前中開(kāi)裂, 在整體高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中裂紋內(nèi)部產(chǎn)生高溫氧化及脫碳現(xiàn)象。 圖4 所示為省煤器母材金相組織, 為鐵素體+珠光體組織。

圖3 裂紋組織(100×)

圖4 省煤器母材金相組織(500×)

對(duì)低過(guò)進(jìn)口集箱(規(guī)格為Φ457×80 mm、 材質(zhì)為12Cr1MoVG) 與短接管( 規(guī)格為Φ51 × 7 mm、材質(zhì)12Cr1MoVG) 角焊縫進(jìn)行金相試驗(yàn), 裂紋位于管座角焊縫短接管側(cè)熔合線上, 對(duì)短接管及其角焊縫進(jìn)行切割取樣, 試樣經(jīng)常規(guī)金相方法制成, 用4%硝酸酒精溶液侵蝕。

圖5 所示為焊縫及熱影響區(qū)顯微組織, 從圖5可知, 組織為鐵素體+貝氏體, 組織晶粒較大, 具有黑色網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界。 圖6 所示為裂紋顯微組織, 裂紋內(nèi)壁同樣存在明顯的氧化膜, 說(shuō)明該裂紋在集箱整體熱處理前或熱處理過(guò)程中已經(jīng)開(kāi)裂, 經(jīng)過(guò)集箱整體高溫?zé)崽幚磉^(guò)程, 裂紋內(nèi)壁產(chǎn)生高溫氧化。 圖7 所示為短接管母材金相組織, 為鐵素體+珠光體組織。

圖5 焊縫及熱影響區(qū)組織(100×)

圖6 裂紋斷面組織(100×)

圖7 短接管母材組織(200×)

1.4 制造過(guò)程分析

對(duì)制造單位制造工藝資料進(jìn)行審查, 發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題:

1) 熱處理作業(yè)人員未持證上崗。

2) 熱處理工藝與文獻(xiàn)[8-9] 規(guī)定不符, 主要體現(xiàn)在: ①12Cr1MoVG、 SA-106C 的熱處理溫度分別為714 ～720 ℃、 605 ～630 ℃, 與標(biāo)準(zhǔn)要求的720～750 ℃、 580～620 ℃不相符； ②現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有控制焊接預(yù)熱及層間溫度的有效措施, 無(wú)法保證工藝規(guī)定的焊前預(yù)熱及層間溫度； ③集箱管座角焊縫焊后未立即進(jìn)行焊后熱處理, 且未采取熱處理措施。

3) 焊接工藝一覽表與焊接工藝評(píng)定存在差異, 如焊接工藝評(píng)定選用的焊條 ( 絲) 直徑為3. 2 mm和4. 0 mm, 而焊接工藝一覽表顯示管座角焊縫采用的焊條(絲) 直徑為3. 2 ～5. 0 mm, 實(shí)際采用的焊條(絲) 直徑為5. 0 mm。

4) 沒(méi)有完善的焊接交底制度, 如未向現(xiàn)場(chǎng)施焊焊工提供正式的焊接工藝卡, 難以確保焊接工藝完全執(zhí)行到位。

2 焊接裂紋原因分析

根據(jù)焊接裂紋形成的本質(zhì)來(lái)分, 焊接裂紋為熱裂紋、 再熱裂紋、 冷裂紋、 層狀撕裂及應(yīng)力腐蝕裂紋[10]。 集箱管座角焊縫裂紋發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū), 沿焊縫熔合線開(kāi)裂。 集箱壁厚較厚, 為54～88 mm, SA-106C、 12Cr1MoVG 材質(zhì)屬于低焊接裂紋敏感鋼, 具有良好的抗層狀撕裂能力, 因而排除層狀撕裂； 裂紋均發(fā)生在熔合線上, 在焊縫中未發(fā)現(xiàn)裂紋現(xiàn)象, 因而可以排除產(chǎn)生熱裂紋的可能性；集箱在制造過(guò)程中, 因而無(wú)應(yīng)力腐蝕裂紋的可能性； 集箱管座角焊縫裂紋在焊接完畢后及熱處理過(guò)程中產(chǎn)生, 且焊縫具有淬硬性組織及網(wǎng)狀組織, 沿晶間開(kāi)裂, 可見(jiàn)屬于冷裂紋或再熱裂紋[11]。

SA-106C、 SA-210C, 這種C-Mn 固溶強(qiáng)化為主的鋼材, 其碳、 錳含量較高( 碳含量≤0. 35%),屬于中碳鋼, 碳當(dāng)量值大于0. 4, 因此具有一定的淬硬及冷裂傾向, 冷裂紋敏感性大[12-13]。 集箱壁較厚、 短接管壁相對(duì)薄且短, 焊接拘束應(yīng)力大, 焊接過(guò)程中未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝, 采用較粗焊條直徑(5. 0 mm), 熱輸入量大, 冷卻速度過(guò)快, 造成淬硬性的魏氏體組織, 焊后未及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理,且未進(jìn)行相應(yīng)消氫處理, 易產(chǎn)生冷裂紋。

管接頭及集箱本體為12Cr1MoVG 材質(zhì), 該材質(zhì)有再熱裂紋傾向, 再熱裂紋溫度區(qū)間為640 ～760 ℃, 貝氏體熱影響區(qū)再熱裂紋敏感性較高[14-16]。 實(shí)際熱處理溫度為714 ～720 ℃, 正處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間, 集箱壁較厚、 短接管壁相對(duì)較薄, 焊接拘束應(yīng)力大, 且焊接熱輸入量大, 冷卻速度快, 造成焊縫及熱影響區(qū)組織粗大, 存在明顯的網(wǎng)狀?yuàn)W氏體晶界, 高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中再熱裂紋正好在貝氏體熱影響區(qū)再熱裂紋最敏感區(qū)產(chǎn)生。

綜上所述, 裂紋產(chǎn)生主要原因?yàn)楣に嚥徽_,焊接過(guò)程中采用焊條直徑偏大( 最大焊條直徑為5mm), 熱輸入量大, 焊縫存在淬硬性組織及網(wǎng)狀組織, 且無(wú)預(yù)熱及后熱處理。 單個(gè)管座角焊縫焊完后到焊后熱處理之間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng), 未及時(shí)采取后熱處理及整體焊后熱處理, 在熱處理前長(zhǎng)時(shí)間停留或在高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中造成裂紋產(chǎn)生。 冷裂紋是造成SA-106C 材質(zhì)集箱大面積短接管座裂紋的主要原因, 再熱裂紋是造成12Cr1MoVG 材質(zhì)集箱大面積短接管座裂紋的主要原因。

3 建議

1) 對(duì)該制造單位檢查發(fā)現(xiàn)裂紋類缺陷的集箱所有管座角焊縫應(yīng)進(jìn)行全部清除, 并采用合格處理方案重新制作并經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可采用, 否則應(yīng)不予采用。

2) 制造單位應(yīng)根據(jù)自身制造設(shè)備、 人員等狀況, 重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定, 以確保焊接工藝的正確性, 并進(jìn)一步完善質(zhì)量體系文件, 加強(qiáng)對(duì)焊工、熱處理及無(wú)損檢測(cè)等特種作業(yè)人員管理與培訓(xùn), 做到持證上崗, 并嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求, 加強(qiáng)制造及檢驗(yàn)過(guò)程控制, 杜絕此類問(wèn)題再次發(fā)生。

3) 焊接、 熱處理工藝最為關(guān)鍵, 應(yīng)該包含:①應(yīng)采用小能量焊接方式, 嚴(yán)格控制熱輸入量, 選擇焊條(絲) 直徑應(yīng)小于4 mm, 對(duì)于短接管壁厚度小于4. 5 mm 的, 建議采用2. 5 mm 及以下的焊條(絲), 多層多道焊； ②嚴(yán)格按規(guī)程制定熱處理工藝, 焊前預(yù)熱溫度為200～300 ℃, 采用電加熱方式,且控制好層間溫度, 在整個(gè)集箱焊接過(guò)程中, 均要保持在200 ～300 ℃狀態(tài), 焊后立即進(jìn)行消氫處理,整體焊完后, 立即進(jìn)行焊后熱處理, 熱處理過(guò)程中嚴(yán)格控制升降速度、 保溫溫度及時(shí)間； ③加強(qiáng)焊接過(guò)程質(zhì)量控制, 確保正確的工藝執(zhí)行到位。