火電廠汽輪機缸體接管封堵開裂原因分析與焊接修復(fù)

昃 剛，鞏振泉，楊一盈，董 玲，牟法海

(河北建投能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

0 前 言

某電廠在通流改造過程中將高中壓汽缸接管切除并使用了鎳基冷補焊工藝對接管管口進(jìn)行了封堵。但由于焊接工藝執(zhí)行不到位以及不合理的結(jié)構(gòu)型式等原因造成了焊縫在機組運行過程中發(fā)生了泄漏。厚壁汽缸的現(xiàn)場焊接工作一直是一個巨大的難題，汽缸相當(dāng)于一個大型散熱器，我們很難將局部加熱到我們需要的焊后熱處理溫度。第一次汽缸接管管口封堵采用鎳基金屬對焊縫進(jìn)行填充，因為不需要熱處理而且產(chǎn)生的形變較小。國內(nèi)對異種鋼焊接研究較多，對于文中所述的火電廠汽缸接管管口封堵這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，沒有該部件針對性強的研究分析和焊接修復(fù)方法。對開裂的接頭焊縫進(jìn)行了金屬元素分析、金相檢驗以及顯微硬度檢驗，明確了開裂的原因，除了焊接工藝執(zhí)行不到位以外，焊接接頭熔合線I型碳化物析出和粗晶區(qū)淬硬的馬氏體組織對焊接接頭造成的不利影響，同時機組參與調(diào)峰產(chǎn)生交變應(yīng)力加速了部件的開裂失效。使用碳當(dāng)量法對材料焊接性進(jìn)行了計算，從理論上對比了鎳基冷補焊工藝和同質(zhì)熱焊工藝的優(yōu)缺點，由于異種鋼焊接出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不同，不適合用于溫差應(yīng)力過大工況。鎳基焊縫相對缸體同材質(zhì)強度較軟，承受壓力過大時，也不宜采用，長期運行出現(xiàn)元素遷移，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導(dǎo)致的低塑性早期開裂失效傾向。針對機組參與調(diào)峰，工況變化大引起交變應(yīng)力的特點，提出了采用與汽缸接管同材質(zhì)圓形封頭對汽缸接管進(jìn)行封堵的方案。本研究采用定制中頻線圈、中頻焊后熱處理+紅外熱處理聯(lián)合熱處理等多種方式，保證焊縫焊后熱處理工作的順利實施及焊接接頭各區(qū)域溫度的準(zhǔn)確性，解決了因汽缸保留接管短難以進(jìn)行熱處理的問題，最終完成了焊接修復(fù)并檢驗合格。

1 泄漏情況介紹

某發(fā)電企業(yè)將與高中壓汽缸連接的平衡管切除并使用鎳基冷補焊工藝對管口進(jìn)行了封堵。機組運行3年后堵板突然飛出，大量蒸汽泄漏，缸體保溫棉被吹落，中壓缸下缸溫度突降至449 ℃，上缸溫度略上升至505 ℃，上下缸溫差達(dá)到56 ℃，保護(hù)動作打閘，機組非停。高中壓外缸材質(zhì)為ZG15Cr2Mo1，所用堵板材質(zhì)為12Cr2Mo1R，焊縫所用焊材為Inconel 82鎳基焊絲(ERNiCr-3)。圖1為焊接完成后的堵板，圖2為開裂飛出的堵板。

圖1 堵板焊縫

圖2 飛脫的堵板

2 泄漏原因分析

2.1 金屬化學(xué)元素分析

對焊縫和堵板進(jìn)行了取樣，對其化學(xué)成分進(jìn)行了定量分析，見表1和表2。

表1 母材12Cr2Mo1R的化學(xué)成分 wt%

表2 焊縫的化學(xué)成分 wt%

材質(zhì)12Cr2Mo1R堵板和鎳基焊縫金屬元素含量均符合要求。

2.2 金相檢驗分析

為了得到較好的觀察效果，我們使用線切割設(shè)備對飛脫的堵板焊縫和缸體母材進(jìn)行取樣，對制取的金相試樣使用180目、400目、600目的砂紙進(jìn)行研磨，使用拋光布配合W5型金剛石拋光劑進(jìn)行拋光。采用4%硝酸酒精溶液為浸蝕劑，對金相試樣橫截面進(jìn)行腐蝕處理，使用Axio Vert.A1倒置式金相顯微鏡對試樣橫截面進(jìn)行金相檢驗。

焊接接頭的熱影響區(qū)主要包括粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)，如圖3所示，粗晶區(qū)有貝氏體和少量馬氏體淬硬組織構(gòu)成；如圖4所示，細(xì)晶區(qū)主要是貝氏體+鐵素體組織。

圖3 開裂處ZG15Cr2Mo1鋼粗晶區(qū)組織

圖4 開裂處ZG15Cr2Mo1鋼粗晶區(qū)組織

如圖5所示，熔合線開裂處有疏松狀氧化物，說明開裂是裂紋逐漸擴展形成，如圖6所示，熔合線附近有碳化物析出。根據(jù)金相檢驗的結(jié)果可以看出，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導(dǎo)致低塑性早期開裂失效傾向。

圖5 開裂處

圖6 鎳基焊縫與母材連接處

2.3 顯微硬度檢查

緊鄰斷開面的ZG15Cr2Mo1鋼側(cè)的粗晶區(qū)存在部分淬硬的馬氏體組織，顯微硬度為HV0.2260～HV0.2272。接著便是細(xì)晶區(qū)，細(xì)晶區(qū)顯微硬度為HV0.2245～HV0.2260。母材為鐵素體+珠光體，顯微硬度為HV0.2170～HV0.2190。由于焊接完成后未進(jìn)行焊接熱處理，可能由于熱輸入大、冷速過快等原因?qū)е侣暢纱阌驳鸟R氏體組織，對焊接接頭的性能有較大的影響。

2.4 原因分析

如圖2所示，堵板焊縫根部未發(fā)現(xiàn)焊接痕跡，說明焊縫為整圈未焊透結(jié)構(gòu)，運行過程中，根部存在較大的應(yīng)力集中，這是焊縫失效開裂的最重要的原因。熔合線會由于I型碳化物析出和淬硬的馬氏體組織對焊接接頭造成的不利影響與未焊透疊加加速了部件的開裂失效。

從管座堵板異種鋼焊縫剝離后的熔合線界面可以看出，該焊縫除了為未焊透結(jié)構(gòu)外，焊縫成形均勻性較低，焊接過程中的錘擊錘痕稀疏，沒有密集覆蓋焊縫表面，不能起到有效降低焊接殘余應(yīng)力的作用。焊接工藝執(zhí)行不到位也大大加快了失效開裂的趨勢。

圖7顯示了該機組一周時間內(nèi)負(fù)荷變動情況，在調(diào)整負(fù)荷時，泄漏部位的壓力和溫度頻繁發(fā)生變化，交變應(yīng)力加速了鎳基焊縫的開裂。

圖7 機組一周內(nèi)負(fù)荷波動曲線

3 焊接修復(fù)工藝與優(yōu)化措施

原工藝焊接方法采用鎢極氬弧焊，使用焊接材料為Inconel 82鎳基焊絲(ERNiCr-3)，?2.0，焊前除油除銹，保持光亮。直流正接；焊接電流，75-90A。使用圓頭鏨子，電動或氣動電錘，專人層間捶擊。使用測溫槍隨時監(jiān)控層間溫度，角磨機處理焊接缺陷。

用酒精或丙酮清潔焊接區(qū)域及周圍75 mm區(qū)域，去除油、脂等雜物，確保焊接時不會有污染物流進(jìn)焊縫，影響焊縫質(zhì)量。保護(hù)好焊接區(qū)的周圍母材，防止被灼傷。

用氧乙炔火焰或電加熱片加熱汽缸和堵板待焊接區(qū)域及附近區(qū)域，熱溫度不低于250 ℃，加熱應(yīng)均勻，測溫位置離焊接位置不得小于50 mm，用火把烘烤時應(yīng)移動烘烤，不得只烘烤坡口，且保證其周圍溫度在200度以上。焊接規(guī)范采用小規(guī)范焊接，電流控制在90 A以下，擺動不超過3 mm，打底焊接，將坡口底部和側(cè)面用堆焊一層，焊接長度不大于30 mm，趁熱錘擊(打底焊不錘擊)，要求焊縫表面密布麻坑。應(yīng)該使用跳焊法。焊道間搭接1/3，且不形成深溝槽。打底焊結(jié)束后，應(yīng)冷卻到室溫，滲透檢驗合格后，再進(jìn)行填充焊?；鸢押婵?00 ℃以上，停留片刻，待溫度降到80 ℃時，開始時焊接。每層間溫度不超過70 ℃，焊道長度同樣不大于30 mm，焊后趁紅熱對焊道進(jìn)行錘擊，要求焊道表面打出麻坑，蓋面焊，不應(yīng)該錘擊。

合金鋼中決定強度和可焊性的因素主要是含碳量和合金元素的含量。ZG15Cr2Mo1的焊接性好壞我們可以用碳當(dāng)量計算公式來計算。國際焊接學(xué)會(IIW)提出的碳當(dāng)量計算公式如下：

Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%

根據(jù)公式計算得出ZG15Cr2Mo1的碳當(dāng)量Ceq為0.85%～1.09%，一般焊接性較好的鋼材Ceq≤0.45%，ZG15Cr2Mo1鋼的碳當(dāng)量值超過其兩倍還要多，焊接性較差。根據(jù)CCT曲線可知，ZG15Cr2Mo1鋼極易產(chǎn)生冷裂紋，加上焊縫中H的影響，產(chǎn)生冷裂紋的可能性會大大增加。同時，ZG15Cr2Mo1鋼還具有再熱裂紋傾向，所以需要通過焊前預(yù)熱，控制層間溫度，采用小的線能量來防止再熱裂紋產(chǎn)生。

采用鎳基冷焊時，焊縫由鎳基材料填充，采用小的線能量組織在焊接熱循環(huán)中不發(fā)生相交。因為塑性好，可以溶解更多的氫，所以具有良好的抗裂性能。而且由于線能量小，焊接時部件產(chǎn)生的變形小，可以省去熱處理。但是缺點也很明顯，由于異種鋼焊接出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不同(見表3)，不適合用于溫差應(yīng)力過大工況。鎳基焊縫相對缸體同材質(zhì)強度較軟，承受壓力過大時，不宜采用。長期運行出現(xiàn)元素遷移，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導(dǎo)致的低塑性早期開裂失效傾向。采用冷補焊工藝，一般為臨時措施，而且對焊工手法要求較高。

表3 兩種材料的線膨脹系數(shù) 10-6/℃

根部整圈未焊透是導(dǎo)致本次焊縫失效最重要的原因，對于火力發(fā)電廠高溫高壓部件，不允許任何長度的未焊透，由于特殊的結(jié)構(gòu)，無損檢測也難以有效對根部進(jìn)行全面的檢測。所以新的焊接優(yōu)化措施首先需要改善焊接結(jié)構(gòu)。

我們將原堵板形式的焊接結(jié)構(gòu)(圖8)替換為對接焊縫形式封頭結(jié)構(gòu)(圖9)。同時由原來的Ni基異種鋼焊接修復(fù)工藝，變更為與P22鋼匹配的焊接材料。采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理方法進(jìn)行修復(fù)處理。

圖8 對接焊縫形式的焊接結(jié)構(gòu)

圖9 對接焊縫形式的焊接結(jié)構(gòu)

由于汽缸接管長度較短，難以使用常規(guī)熱處理方式，這也是第一次焊接使用鎳基冷補焊工藝的主要原因。本措施采用定制中頻線圈、中頻焊后熱處理+紅外熱處理聯(lián)合熱處理等多種方式，如圖10所示，保證焊縫焊后熱處理工作的順利實施及焊接接頭各區(qū)域溫度的準(zhǔn)確性。

圖10 中頻加熱線圈示意圖

4 焊接修復(fù)方案

4.1 焊接前準(zhǔn)備

本次缺陷焊縫修復(fù)采用ER62-B3(TIG-R40)焊絲進(jìn)行氬弧焊打底，采用 E6215-2C1M焊條(焊條牌號：CHH407)進(jìn)行填充蓋面，焊材規(guī)格分別為Φ2.5和Φ3.2，烘焙溫度為300 ℃～350 ℃，烘焙時間為1～2 h，焊絲使用前應(yīng)用丙酮清除油污、銹垢，露出金屬光澤。氬弧焊用的電極為鈰鎢極，所用氬氣純度不低于99.99%。

焊接實施前對接管和封頭的母材進(jìn)行宏觀檢查，磁粉檢測和硬度檢測，確認(rèn)無缺陷后進(jìn)入坡口制備環(huán)節(jié)，將坡口附近內(nèi)壁20 mm范圍除銹去污見金屬光澤。坡口最終制備完成后，采用滲透檢測的方法對坡口進(jìn)行最終檢測，確認(rèn)坡口中的所有缺陷完全消除。上述所有工作全部完成后方可進(jìn)行后續(xù)焊前準(zhǔn)備、焊接修復(fù)、焊后熱處理等工作。

4.2 焊接修復(fù)施工

焊前預(yù)熱溫度為150 ℃～250 ℃，溫度升到預(yù)熱溫度后保溫至少30分鐘，層間溫度控制在200 ℃～300 ℃。采用電加熱，熱電偶測溫。當(dāng)由氬弧焊轉(zhuǎn)為焊條電弧焊時，中間必須進(jìn)行再次升溫至200 ℃～300 ℃。焊前預(yù)熱曲線如圖11所示。

圖11 焊接修復(fù)的預(yù)熱(后熱)工藝曲線

層間溫度控制在200～300 ℃之間，采用多層多道薄層焊，嚴(yán)格控制焊接熱輸入、單層焊道寬度和焊層厚度，單道焊道寬度不超過焊條直徑3倍。每道焊接完成后，均應(yīng)用角磨機或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物完全清除，焊工自檢合格后，方可進(jìn)行下一層的施焊。焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 缺陷焊縫修復(fù)使用的焊接工藝參數(shù)

焊接完成后應(yīng)及時清理焊縫表面的焊渣和飛濺，對于超標(biāo)的外觀缺陷進(jìn)行打磨或補焊，焊工自檢合格后，通知焊接技術(shù)人員進(jìn)行外觀檢驗。

焊后熱處理曲線參數(shù)如圖12所示，工藝要求包括：

圖12 缸體管座焊縫的焊后熱處理工藝曲線

(1)焊后熱處理溫度為720-750 ℃，恒溫時間1～1.5 h；

(2)根據(jù)現(xiàn)場焊縫的位置和結(jié)構(gòu)，采用定制線圈中頻設(shè)備或中頻+紅外加熱器聯(lián)合加熱的方式實施，確保焊后能夠準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)設(shè)溫度；

(3)熱電偶應(yīng)保證與焊縫牢固、充分接觸，保證測量溫度的準(zhǔn)確性；

(4)熱電偶與控制柜之間應(yīng)使用與熱電偶配套的補償導(dǎo)線，保證溫度的準(zhǔn)確性；

(5)加熱寬度從焊縫中心計算，加熱寬度、保溫寬度滿足加熱溫度要求。

4.3 焊后檢驗

熱處理完成24 h后，對焊縫進(jìn)行外觀檢查、表面探傷、超聲波檢測和硬度檢測，檢驗合格。

5 結(jié) 論

同質(zhì)熱焊強度有保證，但是大型鑄件現(xiàn)場熱處理難以進(jìn)行，如果在熱處理可行的情況下推薦同質(zhì)熱補焊。異質(zhì)冷焊由于能量小，汽缸變形小，可以省去熱處理環(huán)節(jié)，這些方面都是優(yōu)于同質(zhì)熱焊的。但是異種鋼焊接會出現(xiàn)熱膨脹系數(shù)不同，不適合用于溫差應(yīng)力過大工況。鎳級強度較軟，承受壓力過大時，也不推薦采用。長期運行還會出現(xiàn)碳元素遷移。所以采用冷補焊工藝，一般為臨時措施。兩種焊接工藝各有優(yōu)缺點，還是要根據(jù)工作現(xiàn)場機組的運行工況、檢修時間等的實際作業(yè)條件來選擇。無論采用哪種路線，都需要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不允許出現(xiàn)例如未焊透這種嚴(yán)重的根部缺陷。

該發(fā)電廠汽缸接管堵板焊接結(jié)構(gòu)形式不合理，焊接工藝執(zhí)行不到位產(chǎn)生了整圈未焊透，焊縫在交變熱應(yīng)力作用下沿未焊透缺陷延伸，形成焊接裂紋，最終造成堵板失穩(wěn)開裂、蒸汽泄漏，機組非停。

重大技改項目應(yīng)組織各相關(guān)專業(yè)聯(lián)合進(jìn)行審查，對結(jié)構(gòu)的合理性、施工方案等嚴(yán)格把關(guān)。重大部件的切除更換應(yīng)聽取各相關(guān)專業(yè)建議，本次事件最初的原因是對高壓缸冷卻蒸汽管割除不當(dāng)，造成汽缸預(yù)留焊接管座較短，現(xiàn)場熱處理難度極大，之后引發(fā)一系列的問題，值得我們深思。此次事故暴露出技改項目在設(shè)計上考慮不足，在監(jiān)造、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)出現(xiàn)監(jiān)管漏洞，隨著國家能源行業(yè)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略規(guī)劃的開展，每個電廠都會經(jīng)歷大型技改項目，應(yīng)充分考慮技改過程中重大部件施工的合理性，建立安全質(zhì)量責(zé)任約束機制，提高安全風(fēng)險意識，加強施工過程監(jiān)督管理。