鍋爐再熱器管屏密封焊縫開裂原因及質量控制要點

馬 鳴，姜小哲，王 萍，梁寶琦

1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046

2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046

0 前言

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和節(jié)能環(huán)保指標的提升，電站鍋爐技術逐漸邁向更大容量和更高參數(shù)的高效型超超臨界等級機組［1］，再熱器的溫度也隨之大幅提升，導致以集箱管接頭吊掛管屏的結構不再適用，現(xiàn)已改為采用管屏與集箱分開吊掛的“支吊梁吊掛系統(tǒng)”（見圖1）實現(xiàn)受熱面管屏固定，即管屏通過密封盒、吊掛板、橫梁、過渡梁實現(xiàn)穿頂棚后的獨立吊掛和防止煙氣外漏作用，經大量工程驗證后，確認這種改進型結構應用效果良好。

圖1 支吊梁吊掛系統(tǒng)結構示意Fig.1 Schematic diagramof support beam suspension

某高效型超超臨界電站鍋爐機組的末級再熱器（以下簡稱“末再”）穿頂棚后采用如圖2所示的支吊梁吊掛系統(tǒng)、管屏穿過頂棚管的密封結構。當鍋爐在安裝后進行吹掃試驗時，發(fā)現(xiàn)臨近吊掛板附近個別不銹鋼承壓管件（材質：SA-213TP310HCbN；規(guī)格：φ57 mm×5 mm）與不銹鋼密封套管（材質：SA-213TP347H；規(guī)格：φ70 mm×5 mm）之間的角焊縫存在漏點，如圖3所示。經全面滲透檢測，共發(fā)現(xiàn)7根承壓管件與套管的角焊縫存在不同程度的開裂，裂紋均分布在支吊架吊點附近的管件上，且位于承壓管一側的焊趾部位。

圖2 管屏端部穿頂棚的密封結構Fig.2 Sealing structure of PANEL penetrating ceiling

圖3 承壓管件與套管焊縫開裂情況Fig.3 Crack of weld between pressure tube and sleeve tube

此處泄漏的危害有：（1）造成再熱器區(qū)域頂棚漏灰，頂棚管背面積灰而使其重量增加，長期運行可能會破壞頂棚管固定結構，頂棚管局部下沉。（2）因積灰造成頂棚管重量增加會向相鄰吊掛面轉移，導致頂棚吊掛結構失效。頂棚管下沉太多，也會對該區(qū)域的爐內交叉管屏產生安全隱患。（3）造成局部超溫破壞，使流經承壓管件中的高溫高壓蒸汽發(fā)生泄漏，吹損臨近管路和吊掛梁結構，造成更大的安全隱患甚至被迫停爐。

1 開裂原因分析

1.1 制造記錄追溯

此再熱器管屏制造流程是在制造廠內先將單根管拼焊并彎制成半元件，再通過工裝（或夾具）將其固定后，采用AWS ENiCrFe-2，φ3.2 mm的鎳基焊條將承壓管與套管焊接固定，最后通過密封盒拼焊方式將半元件合攏拼裝成管屏組件。此焊接工藝自SA-213TP310HCbN小口徑不銹鋼管材料引進后應用至今，經嚴格工藝評定驗證及大量工程實踐證明，選用鎳基材料施焊的焊縫性能穩(wěn)定可靠［2］。其中此承壓管與套管密封角焊縫采用SMAW方式，由兩道半圓周正反方向的上坡焊單道焊道閉合形成，通過廠內制造記錄追溯，開裂管件焊縫在制造流程中無返修和材料用錯等異常情況，其角焊縫尺寸、無損檢測、水壓及通球檢測過程均合格。

1.2 殘樣管件的理化性能檢驗

1.2.1 外觀和剖面宏觀檢查

對殘樣管件外觀檢查時，確認角焊縫厚度滿足圖紙要求，但焊道外觀成形存在焊趾不飽滿、焊道搭接處寬窄不均的情況（見圖3）；剖面檢查時，可見不銹鋼承壓管件內壁表面光滑，無焊瘤和熔合不良等缺陷［3］，角焊縫背面熱影響區(qū)輪廓清晰，開裂部位無銹蝕、無油漆滲入痕跡（見圖4）。

圖4 剖面宏觀情況Fig.4 Macro inspection of section

通過觀察裂紋形貌和分布位置，發(fā)現(xiàn)裂紋位于承壓管側焊道的不規(guī)則焊趾上，并未延伸至兩條焊道的搭接處，其中外壁裂縫長度約59 mm，內壁裂縫長度38 mm，裂紋中間及尖端的斷面上有金屬光澤，斷面未發(fā)現(xiàn)氧化和油漆滲入，斷面可見裂紋方向由外壁向內壁擴展紋路，弧長逐漸變短。由此可判斷裂紋應為油漆后產生，且裂紋應由承壓管焊趾處萌生并由外壁向內壁擴展。

1.2.2 材料成分及性能測試

按ASME標準對殘樣管母材進行材料成分和性能測試，結果分別如表1、表2所示，確認結果符合標準；并對焊縫進行化學成分分析，結果與AWS ENiCrFe-2焊條的熔敷金屬主要化學成分一致，亦排除錯用焊材的可能性。

表1 殘樣管母材及焊縫材料成分合格指標及實測值（質量分數(shù)，%）Table 1 Qualified index and measured value of base metal and weld material composition of test tube（wt.%）

表2 常溫力學性能指標及實測值Table 2 Mechanical properties and measured values at room temperature of test tube

1.2.3 金相分析及硬度檢測

對殘樣管分別制取母材金相試樣，并對試樣進行磨制、拋光、特制化學溶液浸蝕后，觀察金相顯微組織有無異常情況［4］，并進行截面維氏硬度測定（見圖5）。

圖5 試件金相（左）及硬度檢測（右）Fig.5 Metallographic test（left）and hardness test（right）

經檢查確認承壓管母材組織為奧氏體，晶粒度等級4級，套管母材組織為奧氏體，晶粒度等級6級，均符合ASME標準（見圖6），其焊縫、熱影響區(qū)及母材截面硬度值處于正常范圍（見表3），未出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象［5］。

圖6 承壓管母材（左）和套管母材（右）金相組織Fig.6 Metallographic structure of base metal of pressure tube（left）and sleeve（right）

表3 焊接接頭剖面硬度檢測指標及實測值Table 3 Hardness test index and measured value of section of welded joint

經對焊接接頭不同部位進行金相分析（見圖5、7），確認承壓管件和套管的母材、熱影響區(qū)組織均為奧氏體，焊縫組織為奧氏體+少量鐵素體，符合焊接接頭金相組織特征，且焊縫及熔合線區(qū)域未發(fā)現(xiàn)異常沉淀物及其他焊接缺陷，但同時發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)斷面邊緣多呈破碎晶粒，可知其斷裂方式為穿晶斷裂，而此種斷裂通常與焊接應力或外力載荷過大有關。另外，通過微觀金相發(fā)現(xiàn)裂紋起裂于管子外壁與焊縫焊趾的交接處，此處存在結構不連續(xù)易成為應力集中區(qū)域而容易開裂，與此前宏觀檢查判斷起裂點分析結果吻合。經掃描電鏡斷口分析為準解理斷口（見圖8），未發(fā)生晶界弱化，且斷口上未見S、Cl等腐蝕介質，排除了腐蝕開裂的可能性［6］。

圖7 對承壓管與套管焊接接頭不同位置的金相檢測（取樣位置詳見圖5）Fig.7 Metallographic test of different positions of welded joint of pressure tube and sleeve（location based on Fig.5）

圖8 掃描電鏡斷口分析情況Fig.8 SEM fracture analysis

通過上述一系列科學理化性能檢驗結果，判斷裂紋應為油漆之后產生，且由承壓管與套管角焊縫的焊趾處出現(xiàn)并由外壁向內壁擴展，裂縫最大位置處于焊趾成形不均勻處，此部位為應力集中區(qū)域，推測此部位可能是瞬時承受了較大的外載荷造成開裂，與外觀檢測結果吻合，而此種原因造成的由外向內的焊縫開裂情況，通過表面滲透檢測則更為便捷和妥當。目前現(xiàn)場已完成損壞管的更換過程，重新施焊并經無損檢測合格，產品已連續(xù)運行多年。

2 質量控制要點

2.1 承壓管與套管密封焊接操作要點

（1）正式焊前需先將套管與承壓管在12點位置進行SMAW點焊固定，注意電弧停留時間1～2 s，焊點尺寸為5～10 mm。點焊完成后，應保證套管與管子之間的周向間隙均勻一致。

（2）套管角焊縫焊接時，在套管上采用直擊法在3點位置起弧沿逆時針焊接至12點位置熄弧或在9點位置起弧沿順時針焊接至12點位置熄弧，焊接過程中盡量保持運條角度控制在30°～40°（見圖9），電弧指向靠近套管一側并保持短弧焊接，焊接過程中允許采用斷弧操作方法進行焊接，以保證焊道質量。注意焊道在12點位置附近搭接，搭接長度為5～10 mm；當承壓管與套管上半圓周完成焊接后，將管屏翻面后按上述要求完成下半圓周的焊接（見圖10）。

圖9 SMAW焊接套管的操作技巧Fig.9 SMAW operating skills of sleeve

圖10 套管焊接操作示意Fig.10 Schematic diagram of welding operation of sleeve

（3）收弧時，填弧坑次數(shù)不少于4次，避免產生弧坑裂紋，若發(fā)現(xiàn)弧坑裂紋，應立即采用砂輪打磨清除，再采用PT檢查確認裂紋是否完全清除；另外，需保證焊道尺寸滿足設計要求，外觀成形均勻，特別是注意搭接位置避免過厚或過薄，焊趾部位應與母材平滑過渡，防止出現(xiàn)咬邊和凸凹不均。

2.2 管屏運輸及安裝時的注意事項

再熱器部件設計用不銹鋼承壓管件壁厚通?！? mm，且承壓管件與套管的焊縫僅作為密封煙氣和傳熱作用，應盡可能避免此焊縫承受較大外力載荷而造成破壞。當管屏翻身、運輸時，建議對此部位進行懸空處理；當起吊和安裝時，宜采用可拆解框架或籠型工裝固定管屏后，再整體吊裝框架或工裝更合適；另外，當管屏橫移就位時，建議采用吊帶或鏈條捆扎方式代替吊鉤鉤掛，并置于密封盒外側或盡可能遠離套管密封焊縫位置，緩慢拖動管屏就位。

3 結論

（1）通過對殘樣管進行理化性能檢驗分析，初步確定此再熱器套管焊縫裂紋為油漆之后產生，可能原因是此部位瞬時承受了較大的外載荷造成開裂。

（2）起裂點位于承壓管與套管之間的角焊縫的焊趾處，并由外壁向內壁擴展；開裂最大處位于焊趾成形不均勻處，屬于結構應力集中區(qū)域，為裂紋萌生和擴展創(chuàng)造了必要條件。

（3）為避免后續(xù)產生類似問題，規(guī)定了制造廠內管屏套管焊接要點，同時對運輸和現(xiàn)場安裝過程提出相關注意事項，為后續(xù)制造同類相似產品提供借鑒參考。