鍋筒焊縫縱向裂紋產(chǎn)生原因及檢驗(yàn)修復(fù)措施

徐火力，陳其錦

（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建廈門 361004）

0 引言

廈門某熱電公司一臺(tái)高壓電站鍋爐，鍋爐型號(hào)NG-220/9.8-M24，額定蒸汽壓力9.8 MPa，額定蒸發(fā)量220 t/h，額定蒸汽溫度540 ℃，給水溫度215 ℃，于2005 年3 月制造。鍋筒是該鍋爐最重要的受壓部件，該鍋筒有3 個(gè)筒節(jié)，內(nèi)徑1600 mm，長(zhǎng)度8400 mm，厚度為100 mm，材料為P355GH（19Mn6），工作壓力10.98 MPa。該鍋爐于2007 年3 月投入使用至今。

1 鍋爐定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋情況

2020 年4 月對(duì)鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)，期間對(duì)鍋筒縱環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該鍋筒縱焊縫Z1 內(nèi)表面下邊沿存在一處開口裂紋，總長(zhǎng)2200 mm，貫穿該筒節(jié)焊縫全長(zhǎng)，如圖1、圖2 所示；再?gòu)腻佂餐獗砻娌捎贸暡▽?duì)該焊縫進(jìn)一步無損檢測(cè)，結(jié)果顯示缺陷上端點(diǎn)距鍋筒外表面最小值處約86.5 mm（鍋筒壁厚100 mm），即該裂紋最大深度約13.5 mm。發(fā)現(xiàn)縱焊縫Z2 內(nèi)表面上邊沿存在一處開口裂紋，長(zhǎng)310 mm，深度約2 mm。縱焊縫Z3內(nèi)表面下邊沿存在一處開口裂紋，長(zhǎng)330 mm，深度約2 mm。

圖1 鍋筒焊縫布置

圖2 縱縫Z1 裂紋缺陷

2 產(chǎn)生原因分析

2.1 進(jìn)一步檢測(cè)缺陷部位

為了找出產(chǎn)生缺陷的原因，查閱了該鍋爐的制造、安裝等技術(shù)資料和運(yùn)行、維修記錄，并對(duì)鍋筒焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行外觀檢查、硬度和金相檢測(cè)。

（1）查閱了鍋爐制造、安裝等技術(shù)資料。發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①制造資料記錄了鍋筒熱處理加熱溫度為（560±20）℃，該溫度與相關(guān)要求鍋筒熱處理加熱溫度550～600 ℃相比，明顯加熱溫度偏低[1]；②有一安裝監(jiān)檢意見書，指出該鍋筒的焊縫硬度偏高，要求做相應(yīng)降低硬度處理，回復(fù)處理結(jié)果為“已運(yùn)回制造廠對(duì)焊縫進(jìn)行相應(yīng)的降低硬度處理”。以上問題說明了該焊縫原來的熱處理工藝存在不足，應(yīng)力未能有效消除。

（2）外觀檢查。目測(cè)開裂的縱焊縫外觀不太規(guī)則，焊縫比母材高出較多，形成了一個(gè)突變的臺(tái)階；在焊縫的融合線附近存在較多表面缺陷，說明該焊縫原來的制造工藝存在不足。

（3）硬度和金相檢測(cè)。維修前對(duì)焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果（平均值）如下：縱焊縫205 HB，熱影響區(qū)150 HB，母材147 HB。其中縱焊縫Z1 測(cè)試5 個(gè)點(diǎn)，硬度分別為214 HB、206 HB、198 HB、207 HB、199 HB。以上檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫的硬度明顯偏高。對(duì)裂紋最深處（第一節(jié)內(nèi)筒人孔側(cè)環(huán)焊縫左端+1600 mm處）附近的焊縫、母材和熱影響區(qū)進(jìn)行金相檢測(cè)：①圖3 顯示縱焊縫為先共析鐵素體，呈現(xiàn)針狀、塊狀沿柱狀晶分布，少量珠光體加碳化物，組織狀態(tài)正常；②圖4 顯示母材為鐵素體+珠光體組織，珠光體分布不均勻呈現(xiàn)帶狀組織狀態(tài)，為鋼板加工延壓造成，組織正常；③圖5、圖6 顯示上、下熱影響區(qū)均為典型的焊接熱影響區(qū)過熱母材組織，片狀珠光體邊界已模糊，呈現(xiàn)球化傾向，組織仍為合格狀態(tài)。

圖3 縱焊縫金相

圖4 母材金相

圖5 上熱影響區(qū)金相

圖6 下熱影響區(qū)金相

2.2 產(chǎn)生裂紋的原因分析

通過觀察裂紋形態(tài)、位置，綜合磁粉、超聲、金相、硬度檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，并追溯生產(chǎn)過程工藝，判斷該鍋筒裂紋為焊趾裂紋（冷裂紋）。產(chǎn)生裂紋的主要原因如下：

（1）存在延遲裂紋傾向。鍋筒材料為P355GH，屬于低合金高強(qiáng)鋼，具有淬硬傾向。該材料中氫的擴(kuò)散速度較慢，既來不及逸出金屬也不能被完全抑制，易在金屬內(nèi)部發(fā)生聚集，具有延遲裂紋傾向。

（2）應(yīng)力集中導(dǎo)致焊縫開裂。鍋筒筒節(jié)生產(chǎn)工藝為一次壓制成型—焊接—圓整，鍋筒受結(jié)構(gòu)剛度、焊接順序、受載情況等因素影響，存在較大的拘束應(yīng)力，其中產(chǎn)生應(yīng)力的主要環(huán)節(jié)在圓整工藝上。該鍋筒圓整后將筒節(jié)內(nèi)表面縱焊縫余高擠壓成臺(tái)階狀，造成熔合線應(yīng)力集中。從以上金相檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫附近母材存在因鋼板加工延壓造成的珠光體分布不均勻呈現(xiàn)帶狀組織狀態(tài)，鍋爐在頻繁的啟停中，鍋筒受到周期性的加熱、冷卻，在交變應(yīng)力的作用下導(dǎo)致焊縫開裂并擴(kuò)展。

（3）熱處理工藝存在不足。熱處理加熱溫度偏低，應(yīng)力未能有效消除。

3 修復(fù)工藝建議和質(zhì)量檢驗(yàn)要求

3.1 裂紋修補(bǔ)前打磨及缺陷確認(rèn)

對(duì)Z1、Z2、Z3 縱焊縫裂紋處采用磨光機(jī)打磨，打磨過程進(jìn)行MT（Magnetic Particle Testing，磁粉探傷）和PT（Penetrant Testing，滲透探傷）復(fù)查，以確保焊縫缺陷已完全消除。Z1 焊縫打磨深度約13.5 mm 時(shí)、Z2、Z3 焊縫打磨深度約2 mm 時(shí)，經(jīng)確認(rèn)裂紋缺陷已消失。打磨后Z2、Z3 縱焊縫剩余厚度滿足強(qiáng)度要求，所以無需進(jìn)行補(bǔ)焊，只需打磨至焊縫與母材圓滑過渡即可。Z1 焊縫打磨深度較深，需進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊前需修磨出適合于補(bǔ)焊的圓滑過渡的U 形槽。Z1 焊縫打磨成開口約18 mm、深度13.5 mm 的坡口，坡口底部呈圓弧狀，圓弧半徑約為5 mm，坡口邊緣20 mm 范圍內(nèi)應(yīng)將氧化皮等雜物清理干凈，打磨至露出金屬光澤。U 形槽坡坡口如圖7 所示，其中R≈5 mm，a≈15°。

圖7 U 形槽坡口

3.2 焊前預(yù)熱

因裂紋在鍋筒內(nèi)部，焊工需在鍋筒內(nèi)部施焊，故焊前預(yù)熱得在鍋筒內(nèi)、外同時(shí)進(jìn)行。采用柔性陶瓷電阻加熱，預(yù)熱時(shí)加熱片覆蓋長(zhǎng)度為焊縫及兩端各400 mm 以上，寬度為焊縫兩側(cè)各400 mm 或以上[2]。覆蓋好加熱片后，需在加熱片上覆蓋保溫棉，覆蓋長(zhǎng)度為加熱片及兩端各200 mm 以上，寬度為焊縫兩側(cè)各600 mm 或以上。當(dāng)溫度升至焊接溫度時(shí)，拆除內(nèi)部加熱片，依靠鍋筒外部加熱片維持焊縫溫度，溫度控制在100～150 ℃[1]。

3.3 焊接工藝

本次修補(bǔ)采用E5015（Φ3.2）焊條，電流為90～130 A。施焊前，焊條應(yīng)按要求烘烤2 h，烘烤溫度為350 ℃，烘烤后放入保溫桶。Z1 焊縫補(bǔ)焊采用多層多道焊，施焊時(shí)每道焊縫采用分段焊法，即每道焊縫劃分為約440 mm/段，共5 段，先焊第1、3、5段，再焊第2、4 段，如此可減少焊接應(yīng)力的過大累積。焊道寬度控制在6～8 mm，熔深控制在2～3 mm。為減少收弧次數(shù)，每根焊條一次焊完，焊完一道，必須清渣進(jìn)行檢查，確認(rèn)無缺陷時(shí)繼續(xù)施焊。施焊完成后應(yīng)在焊縫表面覆上保溫棉，并逐步減少加熱功率，以達(dá)到緩慢降溫的效果，待溫度降下來后，修補(bǔ)的焊縫應(yīng)打磨圓滑過渡，然后進(jìn)行100%UT（Ultrasonic Testing，超聲波探傷）及100%MT 檢測(cè)。

3.4 焊接熱處理

焊后熱處理采用柔性陶瓷電阻內(nèi)外同時(shí)加熱、整段熱處理的方式。焊縫內(nèi)、外部加熱片覆蓋長(zhǎng)度為返修焊縫加上兩端各400 mm 以上，寬度為焊縫兩側(cè)各400 mm 或以上[2]。加熱片布置好后覆蓋保溫棉，覆蓋長(zhǎng)度為加熱片加上兩端各200 mm 以上，寬度為焊縫兩側(cè)各600 mm 或以上，厚度為80 mm。按下圖8 曲線進(jìn)行熱處理[1]。

圖8 熱處理曲線

3.5 焊后質(zhì)量檢查要求

（1）外觀檢查。焊縫和母材平滑過渡，焊縫外形尺寸符合要求，焊縫表面和根部不存在焊接缺陷。

（2）無損檢測(cè)。對(duì)Z1 焊縫進(jìn)行100%UT，加上100%MT 檢測(cè)。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》，Ⅰ級(jí)合格。

（3）金屬監(jiān)督檢驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求進(jìn)行光譜、硬度和金相等檢測(cè)。檢測(cè)的數(shù)量為光譜：母材2 點(diǎn)，焊縫1 點(diǎn)；硬度：母材6 點(diǎn)，熱影響區(qū)6 點(diǎn)，焊縫3 點(diǎn)。焊縫硬度測(cè)定平均值不超過母材布氏硬度值加100 HB，且不超過270 HB，同時(shí)不低于母材硬度的90%[3]。當(dāng)焊縫硬度偏高或偏低時(shí)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法按DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》執(zhí)行。

4 維修質(zhì)量檢查結(jié)果

此次維修，采納以上維修建議。維修后，焊縫經(jīng)外觀檢查、無損檢測(cè)、光譜和硬度等檢查，結(jié)果均符合要求，修復(fù)一次成功：①焊縫外形尺寸檢查符合要求，未見表面焊接缺陷；②無損檢測(cè)結(jié)果合格，100%UT 結(jié)果為Ⅰ級(jí)，100%MT 結(jié)果為Ⅰ級(jí)；③對(duì)焊縫及兩側(cè)母材進(jìn)行光譜分析，結(jié)果均符合要求；④對(duì)Z1焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)、母材進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果均符合要求，見表1。

表1 Z1 焊縫返修后硬度值HB

5 結(jié)束語

通過對(duì)電站鍋爐鍋筒產(chǎn)生縱向裂紋的原因進(jìn)行分析，提出了針對(duì)性的修復(fù)工藝建議和質(zhì)量檢驗(yàn)要求，確保了本次維修的質(zhì)量。同時(shí)，為了防止電站鍋爐鍋筒產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷，及時(shí)找出和消除缺陷隱患，確保電站鍋爐安全運(yùn)行，建議可采取以下相應(yīng)的防治措施。

（1）優(yōu)化鍋筒制造工藝并嚴(yán)格執(zhí)行焊接和熱處理工藝，提高焊接質(zhì)量水平。焊縫和母材應(yīng)圓滑過渡，在筒節(jié)圓整環(huán)節(jié)上，避免將筒節(jié)縱焊縫余高擠壓成臺(tái)階狀，造成熔合線應(yīng)力集中。按照相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，制定合理的焊接和熱處理工藝，嚴(yán)格控制相應(yīng)的工藝參數(shù)，做好焊接和熱處理工作，及時(shí)有效地消除殘余應(yīng)力。

（2）加強(qiáng)對(duì)鍋筒定期檢驗(yàn)的要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除焊接缺陷：①對(duì)鍋筒有針對(duì)性地選取無損檢測(cè)重點(diǎn)部位，每次無損檢測(cè)應(yīng)盡量包括T 字焊縫、歷史未檢測(cè)部位、上次無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問題的部位、鍋筒宏觀檢查發(fā)現(xiàn)異常的部位，以及對(duì)出廠、歷次檢驗(yàn)記載的埋藏缺陷進(jìn)行抽查，對(duì)表面無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋的部位進(jìn)行超聲波檢測(cè)；②做好無損檢測(cè)前期準(zhǔn)備工作，拆除妨礙鍋筒檢驗(yàn)的部件，對(duì)被內(nèi)件覆蓋的縱、環(huán)焊縫應(yīng)進(jìn)行無損檢測(cè)抽查；③無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)缺陷的，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)探，若還發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)缺陷，應(yīng)加大擴(kuò)探比例，直至100%無損檢測(cè)；④提高鍋筒無損檢測(cè)比例，對(duì)單次定期檢驗(yàn)未進(jìn)行100%表面無損檢測(cè)、超聲檢測(cè)的焊縫，經(jīng)過多次定期檢驗(yàn)后，盡量能夠累計(jì)達(dá)到無損檢測(cè)范圍覆蓋至100%焊縫被檢測(cè)到，對(duì)運(yùn)行時(shí)間≥5 萬小時(shí)的鍋爐，建議連續(xù)3 個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)無損檢測(cè)范圍盡量累計(jì)達(dá)到覆蓋至100%檢測(cè)。