鍋爐高溫過熱器焊縫裂紋的原因分析與處理

袁懷中

（中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川成都 611930）

0 引言

煉化一體化工程自備電站有4 臺(tái)蒸發(fā)量為420 t/h 的高壓蒸汽鍋爐，鍋爐設(shè)計(jì)為單汽包、自然循環(huán)、集中下降管、Π 形布置，前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁，爐膛出口處布置屏式過熱器。水平煙道裝設(shè)了一級(jí)對(duì)流過熱器（高溫過熱器），爐頂、水平煙道轉(zhuǎn)向室和尾部包墻均采用膜式管包敷，尾部豎井煙道中布置一級(jí)低溫過熱器、一級(jí)省煤器（分上、下兩段）和兩級(jí)臥式管式空氣預(yù)熱器。前墻布置兩層8 只旋流燃燒器，燃料為100%燃?xì)鉅t2 臺(tái)、60%油+40%氣的燃油氣爐2 臺(tái)。2012 年9 月，電站開工運(yùn)行，開始向煉化一體化裝置提供蒸汽。

1 裂紋產(chǎn)生的現(xiàn)象及統(tǒng)計(jì)

2014 年1 月22 日，鍋爐外操在巡檢過程中，聽到2 號(hào)爐爐頂有明顯漏汽聲音，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)得2 號(hào)爐高溫過熱器出口聯(lián)箱處溫度明顯高于其他地方，于是匯報(bào)相關(guān)人員。經(jīng)部門專業(yè)工程師現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)有蒸汽泄漏后，開始執(zhí)行停爐操作。1 月25 日，2 號(hào)爐溫度降至常溫，具備檢修條件，將爐頂高溫過熱器出口聯(lián)箱處保溫拆除，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器熱段兩根蛇形管與出口聯(lián)箱支管座焊縫處出現(xiàn)裂紋。高溫過熱器共計(jì)有119 排管束，每排管束由上中下3 根管子組成。此次出現(xiàn)裂紋的兩處分別是乙側(cè)往甲數(shù)第10 排上面1 根，第15 排最上面1 根，現(xiàn)場(chǎng)照片高溫過熱器熱段裂紋如圖1所示，裂紋部位如圖2 所示。

圖1 高溫過熱器熱段裂紋

圖2 具體斷裂部位

斷裂的高溫過熱器蛇形管尺寸42×5 mm，材料為12Cr1MoVG，兩根斷裂部位均在焊縫根部熱影響區(qū)，此處過熱蒸汽壓力9.8 MPa，溫度540 ℃。

因生產(chǎn)裝置蒸汽負(fù)荷需要，采取24 h 作業(yè)模式對(duì)2號(hào)爐進(jìn)行搶修，以便最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)2 號(hào)爐運(yùn)行。對(duì)斷裂處采取的處理措施是：對(duì)焊口前后母材及焊縫進(jìn)行材質(zhì)確認(rèn)，確認(rèn)與設(shè)計(jì)材質(zhì)一致的情況下，切除裂紋處焊肉，重新打磨焊接，焊前預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理。1 月26 日，兩處裂紋處理完畢，鍋爐水壓試驗(yàn)合格后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)保溫，投入2 號(hào)爐運(yùn)行。

2014 年2 月15 日，外操在巡檢過程中，又聽到2 號(hào)爐爐頂有明顯漏汽聲音，同時(shí)紅外線測(cè)溫儀顯示高溫過熱器出口聯(lián)箱處溫度明顯高于其他地方，正常匯報(bào)后，安排停止2 號(hào)爐運(yùn)行。待溫度冷卻至常溫后，拆除保溫檢查，發(fā)現(xiàn)乙往甲數(shù)第11 排中間1 根（圖3），第19 排上面1 根焊縫發(fā)生斷裂，其斷口位置和現(xiàn)象與1 月22 日發(fā)生斷裂的管子一致，均是焊縫根部熱影響區(qū)。處理方式和上次一樣：對(duì)焊口前后母材及焊縫進(jìn)行材質(zhì)確認(rèn)，確認(rèn)與設(shè)計(jì)材料一致的情況下，切除裂紋處焊肉，重新打磨焊接，焊前預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理。處理完畢，鍋爐水壓試驗(yàn)合格后，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)保溫，投入2 號(hào)爐運(yùn)行。

圖3 11 排中間一根斷裂

2014 年3 月6 日，巡檢發(fā)現(xiàn)4號(hào)爐疑似泄漏，停爐拆保溫后確認(rèn)4 號(hào)爐高溫過熱器管束乙往甲數(shù)第4 排最下面一根焊縫斷裂；2014 年3 月10 日，巡檢發(fā)現(xiàn)3 號(hào)爐疑似泄漏，停爐拆保溫后確認(rèn)3 號(hào)爐高溫過熱器管束乙往甲數(shù)第16 排中間一根焊縫斷裂。截止到2015 年4月，2、3、4 號(hào)鍋爐發(fā)生高溫過熱器熱段蛇形管束與出口聯(lián)箱支管座焊縫處出現(xiàn)裂紋泄漏7 次，涉及管子13 根，高溫過熱器焊縫裂紋統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 高溫過熱器焊縫裂紋統(tǒng)計(jì)

自備電站鍋爐裝置高溫過熱器在短短的一年多時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)如此頻繁的焊縫損壞故障，導(dǎo)致鍋爐多次被迫停運(yùn)檢修，給煉化裝置的長周期安全連續(xù)運(yùn)行帶來考驗(yàn)。必須從根本上找到故障發(fā)生的原因，并采取有效處理手段，以徹底消除此類隱患，方能為煉化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行提供源源不斷的蒸汽動(dòng)力。

2 裂紋產(chǎn)生原因可能性分析

2014 年1 月22 日2 號(hào)爐高溫過熱器發(fā)生焊縫泄漏后，部門就開始分析產(chǎn)生裂紋的原因，結(jié)合開工以來4 臺(tái)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行工況，從以下4 個(gè)方面開展原因排查工作。

2.1 鍋爐本體異常振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞損壞

自備電站鍋爐裝置至2012 年投產(chǎn)以來，先后發(fā)生過1、2、3號(hào)爐本體振動(dòng)異常情況，尤其是在蒸汽負(fù)荷大于70%后異常振動(dòng)明顯，是當(dāng)時(shí)鍋爐高負(fù)荷生產(chǎn)的一大瓶頸。后經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，對(duì)1、2、3 號(hào)爐燃燒器進(jìn)行改造調(diào)整，鍋爐本體的異常振動(dòng)問題在2013 年相繼得到徹底解決，解決后鍋爐100%負(fù)荷運(yùn)行不再有任何異常振動(dòng)現(xiàn)象。

從圖1 可以看出，高溫過熱器蛇形管為垂直走向，通過彎管與水平聯(lián)箱相連，斷裂處在焊縫根部熱影響區(qū)，此處所受彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力最大，結(jié)合前期鍋爐本體的異常振動(dòng)，該過熱蒸汽管線在運(yùn)行過程中隨著爐本體一起振動(dòng)，加劇了斷裂處的受力，使得應(yīng)力進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致應(yīng)力集中開裂。分析這一可能性在異常振動(dòng)過的鍋爐中應(yīng)該都存在，但是統(tǒng)計(jì)表明，1 號(hào)爐異常振動(dòng)時(shí)間最長，高溫過熱器蛇形管同樣部位卻從未發(fā)生過斷裂現(xiàn)象；3、4 號(hào)爐同樣部位發(fā)生裂紋的次數(shù)也明顯少于2 號(hào)爐，異常振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞損壞不能完全解釋這一現(xiàn)象。

2.2 膨脹受阻引起應(yīng)力破壞

自備電站4 臺(tái)鍋爐采用的都是懸吊結(jié)構(gòu)，垂直方向正常的受熱膨脹是向下延伸，一旦膨脹受阻，將引起受熱面管線的變形、損壞。對(duì)發(fā)生焊縫裂紋的2、3、4 號(hào)鍋爐進(jìn)行全面檢查，對(duì)比各膨脹指示點(diǎn)數(shù)據(jù)，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常，各膨脹指示器指示正確，數(shù)據(jù)符合鍋爐說明書要求；鍋爐整體外觀良好，沒有發(fā)現(xiàn)任何變形、損壞的部位，膨脹受阻的可能性基本可以排除。

2.3 焊條及母材使用錯(cuò)誤

高溫過熱器蛇形管設(shè)計(jì)材質(zhì)為12Cr1MoVG，屬于珠光體型耐熱鋼，管子對(duì)接焊應(yīng)采用R317 焊條焊接。對(duì)斷裂處焊縫、前后母材均進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分見表2，依據(jù)GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG 的化學(xué)成分的規(guī)定，前后母材及焊縫的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由此，焊條及母材使用錯(cuò)誤的可能性被排除。

表2 化學(xué)成分

2.4 焊接工藝存在不當(dāng)行為

12Cr1MoVG 鋼焊接性能良好，手工焊采用E5515-B2-V（熱317）焊條，按照GB 5310—2008 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊前預(yù)熱溫度為200～250 ℃，焊后經(jīng)710～750 ℃回火熱處理。12Cr1MoVG 鋼對(duì)熱處理比較敏感，正火溫度、保溫時(shí)間，冷卻速度和回火溫度，對(duì)鋼的組織和持久強(qiáng)度都有一定的影響。焊接工藝不當(dāng)，容易在焊接熱影響區(qū)形成粗大的馬氏體組織，在熱影響區(qū)部位沿晶開裂，產(chǎn)生裂紋。

焊接工藝是否存在不當(dāng)，需從焊縫硬度檢測(cè)和金相組織來分析判斷。

3 焊接接頭硬度檢測(cè)、金相分析

3.1 硬度檢測(cè)

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1 部分：試驗(yàn)方法》和參照GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG 規(guī)定的力學(xué)性能，硬度檢測(cè)結(jié)果見表3，試樣母材硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而焊縫、熱影響區(qū)的硬度值都高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果 HBW

3.2 金相分析

3.2.1 金相取樣位置及編號(hào)（圖4）

圖4 金相取樣位置及編號(hào)

1#——焊縫及焊縫下部管材；2#——焊縫上部殘余管材及焊縫區(qū)域。

3.2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》規(guī)定，取1#、2#試樣的縱截面為檢驗(yàn)面，試樣經(jīng)機(jī)械拋光，采用4%硝酸酒精對(duì)其進(jìn)行腐蝕，1#試樣對(duì)應(yīng)的金相組織如圖5～7所示。1#試樣焊縫金相組織如圖5所示，對(duì)應(yīng)的金相組織為粒狀貝氏體，圖6 為焊縫與其下部管材的熱影響區(qū)，圖7 為焊縫下部管材的金相組織，即：鐵素體+珠光體。1#試樣管內(nèi)外壁均存在腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物為深灰色且均勻分布。

圖5 1#試樣焊縫對(duì)應(yīng)的金相組織

圖6 1#試樣熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)的金相組織

圖7 1#試樣管材對(duì)應(yīng)的金相組織

2#試樣對(duì)應(yīng)的結(jié)果見圖8～圖10，圖8 為焊縫組織，圖9 為焊縫與焊縫上部殘余管材之間的熱影響區(qū)的金相組織，圖10為2#試樣焊縫上部殘余管材的金相組織，即金相組織為：鐵素體+珠光體。

圖8 2#試樣焊縫對(duì)應(yīng)的金相組織

圖9 2#試樣熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)的金相組織

圖10 2#試樣母材對(duì)應(yīng)的金相組織

3.3 斷口取樣分析

斷口的宏觀形貌見圖11。將管材與焊縫熱影響區(qū)開裂處打開后如圖11 所示，開裂前管材部位及焊縫區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)明顯的塑性變形，斷口較為平齊、粗糙，呈脆性斷裂特征。斷口表面覆蓋一層較厚、較致密的黑色腐蝕產(chǎn)物。采用二次電子成像（SEM）對(duì)斷口試樣進(jìn)行觀察，如圖12 所示。斷口試樣表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物較厚，腐蝕產(chǎn)物較致密，且難以清洗，清洗后斷口表面晶粒清晰、晶界明顯，斷口呈沿晶斷裂特征。

圖11 斷口的宏觀形貌

圖12 斷口的微觀形貌

綜上分析，斷裂試樣管材焊縫下部熱影響區(qū)以及焊縫硬度值都高于標(biāo)準(zhǔn)要求；斷口較為平齊、粗糙，無塑性變形，斷口表面為沿晶開裂，呈脆性斷裂特征。

最終結(jié)論為：焊接工藝不當(dāng)是導(dǎo)致蛇形管焊縫開裂的主要原因。在焊縫內(nèi)部或者熱影響區(qū)形成粗大的淬硬組織，增加了組織相變應(yīng)力，韌性降低，在后續(xù)的受熱過程中發(fā)生沿晶分離導(dǎo)致開裂。

4 采取的修補(bǔ)完善措施

針對(duì)2、3、4 號(hào)鍋爐高溫過熱器熱段多根蛇形管與出口聯(lián)箱處焊縫相繼出現(xiàn)的熱影響區(qū)裂紋，擴(kuò)大檢查范圍，對(duì)查出焊縫硬度嚴(yán)重超標(biāo)的重新進(jìn)行正火加高溫回火處理；對(duì)發(fā)生裂紋的焊縫，切除原焊肉，根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行評(píng)定合格的焊接工藝重新進(jìn)行焊接，按焊前預(yù)熱200～250 ℃，保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度，焊接后進(jìn)行熱處理，溫度為710～750 ℃。以確保熱處理效果，細(xì)化晶粒、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、消除應(yīng)力。

按照上述處理原則，至2015 年4 月，自備電站4 臺(tái)鍋爐全部檢查整改完畢，整改后運(yùn)行至今焊縫狀況良好，未再出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

12Cr1MoVG 屬于耐熱合金鋼，廣泛應(yīng)用于火電廠鍋爐壁溫≤580 ℃的過熱器、再熱器管子。發(fā)生裂紋的高溫過熱器熱段正常運(yùn)行溫度為520～540 ℃，而400～520 ℃又是12Cr1MoVG材料的敏化溫度，在這個(gè)溫度區(qū)時(shí)間越長，12Cr1MoVG 越容易產(chǎn)生裂紋。因此，只有嚴(yán)格的焊接工藝流程和熱處理工藝控制，才能有效降低焊接應(yīng)力、細(xì)化晶粒、穩(wěn)定組織，也才能使12Cr1MoVG 管子在敏化溫度區(qū)內(nèi)能長期穩(wěn)定運(yùn)行，避免產(chǎn)生晶間腐蝕而開裂。