某電廠高溫再熱器入口集箱筒身環(huán)縫裂紋分析及處理

徐祥久， 李秋石

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150046;2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

電站鍋爐作為重要的承壓特種設(shè)備，其承壓結(jié)構(gòu)的連接一般通過(guò)焊接的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，焊接接頭的性能和質(zhì)量是保證鍋爐機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[1-3]。對(duì)于已投運(yùn)鍋爐機(jī)組需對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督，掌握金屬構(gòu)件在服役過(guò)程中的組織、性能及缺陷萌生情況，發(fā)現(xiàn)并評(píng)估鍋爐存在的問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)，分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，使之在失效前得到及時(shí)有效的修復(fù)或更換[4]。對(duì)于焊接缺陷的分析通常需要在焊接接頭位置進(jìn)行取樣檢測(cè)[5-6]，然而，對(duì)于集箱筒身、鍋筒等厚壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)取樣會(huì)對(duì)部件產(chǎn)生較大損傷，因此在進(jìn)行此類結(jié)構(gòu)缺陷分析時(shí)應(yīng)兼顧修復(fù)難度，最小化對(duì)原始結(jié)構(gòu)的破壞。

1 鍋爐機(jī)組簡(jiǎn)介

某電廠1 000 MW機(jī)組已投運(yùn)近5年時(shí)間，其鍋爐為超超臨界變壓直流鍋爐，采用π型布置、單爐膛、反向雙切圓燃燒方式。再熱器入口蒸汽壓力為5.11 MPa、蒸汽溫度為353 ℃。高溫再熱器入口集箱筒身材料為SA-335 P22大口徑鋼管，直徑為711 mm，壁厚為72 mm，其化學(xué)成分見表1。圖1為缺陷位置集箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，僅示出了管孔位置和管接頭中心線。

表1 SA-335 P22鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 高溫再熱器入口集箱

2 裂紋概況

在電廠對(duì)鍋爐進(jìn)行檢修期間，在高溫再熱器入口集箱(右側(cè))的第4條筒身拼接環(huán)縫圓周方向上，MT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)11條橫向裂紋(裂紋垂直于焊道方向)，裂紋分布無(wú)明顯規(guī)律，裂紋長(zhǎng)度為38～55 mm，通過(guò)UT測(cè)量裂紋深度為30～50 mm，圖2所示為部分裂紋位置及表面形貌，將裂紋編號(hào)1～11 號(hào)。左、右2個(gè)高溫再熱器入口集箱，共12條拼接環(huán)縫，其余11條焊縫未發(fā)現(xiàn)類似裂紋。

3 金相檢驗(yàn)

對(duì)2號(hào)裂紋區(qū)域筒體表面進(jìn)行打磨拋光，并用硝酸酒精腐蝕，發(fā)現(xiàn)該環(huán)縫位置焊縫總寬度達(dá)130 mm，且焊縫寬度方向不連續(xù)，如圖3所示，其中B，D，F(xiàn)區(qū)域?yàn)楹缚p，A，C，E，G區(qū)域?yàn)樵寄覆?。?duì)1號(hào)裂紋檢查也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。

圖3 2號(hào)裂紋附件筒體表面形貌

因鍋爐機(jī)組為檢修狀態(tài)，不宜對(duì)集箱過(guò)度破壞，為確認(rèn)焊縫的組織形貌，在垂直于焊道方向?qū)⒑缚p用砂輪打磨剖開一個(gè)凹槽，凹槽深度約10 mm，然后對(duì)凹槽斷面進(jìn)行打磨并用硝酸酒精腐蝕，以觀察焊縫及母材輪廓。發(fā)現(xiàn)B區(qū)焊縫寬度、形貌與圖紙拼接環(huán)縫坡口尺寸相符，為正常拼接焊縫，但其表面5～7 mm深度范圍內(nèi)焊縫寬度異常，比理論坡口邊緣寬出10～15 mm。D區(qū)和F區(qū)焊縫深度分別為6 mm和7 mm，如圖4所示，其焊縫僅存在于筒體近表面區(qū)域內(nèi)，為母材表面局部補(bǔ)焊，并非筒體拼接焊縫。

圖4 D,F區(qū)焊縫焊縫輪廓

對(duì)A～G各區(qū)進(jìn)行表面貼膜金相檢測(cè)，結(jié)果如圖5所示，母材組織為貝氏體+鐵素體(圖5a)、焊縫組織為貝氏體(圖5b和5c)，焊縫與母材的組織均無(wú)異常，為正常的焊縫和母材組織。2號(hào)裂紋位于B區(qū)，即拼接焊縫位置，圖5d為2號(hào)裂紋形貌。

圖5 2號(hào)裂紋區(qū)域組織形貌

4 硬度檢測(cè)

對(duì)2號(hào)裂紋位置各區(qū)域進(jìn)行了硬度檢測(cè)，每個(gè)區(qū)域測(cè)量3點(diǎn)取平均值，其結(jié)果如圖6所示。B,D,F區(qū)為焊縫硬度，其硬度平均值分別為189 HB,190 HB和192 HB，三個(gè)焊縫區(qū)域硬度值較一致。各區(qū)域母材硬度檢測(cè)平均值在158～163 HB范圍內(nèi)。焊縫、母材硬度的檢測(cè)值均在合理范圍內(nèi)，均為消應(yīng)力熱處理后的合格硬度值。

5 原因分析及處理

由于鍋爐機(jī)組檢修期有限，且不宜過(guò)多破壞集箱本體，僅進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)、表面金相和表面硬度檢測(cè)，然而裂紋附近區(qū)域焊縫和母材的組織、硬度檢測(cè)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)異常，據(jù)此無(wú)法判斷導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。

根據(jù)裂紋區(qū)域焊縫超寬的情況，對(duì)高溫再熱器集箱制造過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)制造廠在集箱管接頭裝配、焊接時(shí)，需將集箱筒身放置在“V”形支架上，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中集箱筒身表面會(huì)與“V”形支架產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，通常情況下這種摩擦不會(huì)對(duì)筒身表面造成損傷，但如果“V”形支架上存在焊接飛濺、異物等便會(huì)導(dǎo)致筒身表面劃傷。因此，根據(jù)該環(huán)縫表面寬度和D,F區(qū)域焊縫深度推斷，該環(huán)縫位置表面在集箱管接頭裝焊過(guò)程中被“V”形支架劃傷，劃痕寬度約為130 mm(不連續(xù))、深度范圍為5～7 mm(圖7)，制造廠對(duì)筒身表面劃傷區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)焊，且補(bǔ)焊是在集箱整體消應(yīng)力熱處理前進(jìn)行的，從焊縫表面硬度檢測(cè)結(jié)果可證實(shí)。

圖7 筒身表面劃痕示意圖

綜上分析，該焊縫位置裂紋的產(chǎn)生與集箱筒身劃痕補(bǔ)焊有直接關(guān)系。SA-335 P22的碳當(dāng)量約為0.87%，有很強(qiáng)的冷裂紋敏感性，補(bǔ)焊過(guò)程中實(shí)際工件溫度未能達(dá)到焊接工藝要求的最小預(yù)熱溫度，焊后未進(jìn)行有效的消氫處理，導(dǎo)致補(bǔ)焊焊縫表面產(chǎn)生冷裂紋，且裂紋的產(chǎn)生會(huì)有一定的延遲性。這些冷裂紋尺寸相對(duì)較小，僅存在于集箱筒身表面補(bǔ)焊焊縫中。而補(bǔ)焊時(shí)集箱管接頭已裝焊完成，不利于補(bǔ)焊操作及焊后無(wú)損檢測(cè)，以至于高溫再熱器入口集箱安裝投運(yùn)也未發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題。在鍋爐機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，受熱應(yīng)力的作用裂紋由焊縫表面逐漸長(zhǎng)大并擴(kuò)展，直至形成宏觀表象，在檢修時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

針對(duì)該電廠高溫再熱器入口集箱環(huán)縫裂紋問(wèn)題，在檢修期間對(duì)11條裂紋進(jìn)行返修處理，清除裂紋、補(bǔ)焊及焊后消應(yīng)力熱處理，作為臨時(shí)解決方案，同時(shí)建議在下次檢修期對(duì)該段存在補(bǔ)焊的集箱筒體進(jìn)行局部更換作為最終解決方案，以保證該1 000 MW超超臨界鍋爐機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)裂紋宏觀形貌觀察，裂紋區(qū)域焊縫和母材的金相、硬度檢測(cè)，以及對(duì)集箱制造工藝過(guò)程分析。推斷了導(dǎo)致高溫再熱器入口集箱筒身環(huán)縫橫向裂紋的原因主要為制造過(guò)程補(bǔ)焊操作不當(dāng)，補(bǔ)焊焊縫產(chǎn)生微小冷裂紋，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中受熱應(yīng)力作用擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋。制造過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)找到問(wèn)題產(chǎn)生的原因，制定具體的處理工藝方案，并嚴(yán)格按工藝要求執(zhí)行，才能保證產(chǎn)品的最終品質(zhì)滿足使用要求。