鍋爐末級過熱器進(jìn)口集箱三通焊縫裂紋原因分析及處理措施

馬振華

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

某火電廠配備1臺型號為HG-1025/17.5-YM36的亞臨界參數(shù)鍋爐。鍋爐主蒸汽設(shè)計(jì)壓力為17.5 MPa，主蒸汽溫度為540 ℃，鍋爐的額定蒸發(fā)量為1025 t/h。整體采用單爐膛π型布置，受熱面全部吊掛在鋼結(jié)構(gòu)大板梁上，過熱器和再熱器的受熱面集箱主要布置在爐膛上部大包內(nèi)[1]，布置如圖1所示。該鍋爐于2007年10月正式投入運(yùn)行，2021年9月大修時(shí)，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約87 215 h。在2021年進(jìn)行定期檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)末級過熱器進(jìn)口集箱的三通與后屏過熱器出口集箱連接管的焊縫存在多條橫向裂紋。本文通過查找多方面原因?qū)ι鲜隽鸭y缺陷產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，并提出合理的焊接及熱處理工藝對缺陷進(jìn)行修復(fù)。

圖1 爐頂集箱分布情況

1 裂紋缺陷情況

過熱蒸汽由后屏過熱器出口集箱通過2根Ф406 mm×70 mm，材質(zhì)為SA-335P22的連接管引入末級過熱器進(jìn)口集箱三通，焊縫位置如圖2所示。三通規(guī)格Ф406 mm×406 mm×406 mm，壁厚75 mm，材質(zhì)為SA-234WP22CL1。

圖2 集箱焊縫位置示意圖

依據(jù)《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)鍋爐運(yùn)行時(shí)間超過5×104h，應(yīng)對高溫過熱器環(huán)焊縫進(jìn)行表面無損檢測，一般抽查不少于1條環(huán)焊縫。在對末級過熱器進(jìn)口集箱爐右側(cè)三通與連通管對接焊縫磁粉探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫根部位置及焊道之間存在斷續(xù)線性磁痕，其中最嚴(yán)重的裂紋已幾乎橫跨整個(gè)焊縫，結(jié)構(gòu)及形貌如圖3所示。通過宏觀觀察，此裂紋呈現(xiàn)斷續(xù)狀，裂紋開口較寬，焊接熱影響區(qū)為裂紋起裂點(diǎn)。對缺陷分布進(jìn)行檢查，焊縫表面打磨平整后做磁粉探傷和滲透探傷復(fù)檢，在焊縫內(nèi)部表面又發(fā)現(xiàn)多處裂紋，如圖4所示。對該集箱的左側(cè)三通與連接管的對接焊縫進(jìn)行磁粉檢測擴(kuò)檢，發(fā)現(xiàn)同樣存在多條密集橫向裂紋。

圖3 磁粉檢測

圖4 滲透檢測

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

由于此次進(jìn)行消缺返修處理，而未進(jìn)行整體焊接接頭截取制樣進(jìn)行理化性能和電鏡掃描分析。本文通過金相組織、硬度、材料化學(xué)成分、焊接工藝等幾個(gè)方面研究裂紋產(chǎn)生的原因。

2.1 金相組織分析

現(xiàn)場通過對右側(cè)三通裂紋附近位置的焊縫及連接管母材位置進(jìn)行金相分析，金相組織如圖5、圖6所示。通過觀察分析可判斷該材料組織為鐵素體+回火貝氏體，未見明顯球化，球化等級為2～3級。焊縫區(qū)域晶粒細(xì)碎，母材區(qū)域晶粒粗大。焊接時(shí)形成不同組織之間的膨脹系數(shù)存在較大差異，將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力和焊接應(yīng)力，易導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生。

圖5 右側(cè)焊縫金相組織

圖6 右側(cè)連接管母材金相組織

2.2 硬度分析

DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》要求：SA-335P22管道硬度為135～195(HB)；DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：焊縫硬度不超過母材布氏硬度加100 HBW，且不超過300 HBW，同時(shí)不應(yīng)低于母材硬度的90%。采用便攜式里氏硬度計(jì)對焊縫及母材位置進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果如表1所示。由表1可知，焊縫硬度較母材硬度高出100 HB且部分焊縫硬度點(diǎn)已超過300 HB。當(dāng)兩側(cè)硬度差異較大時(shí)應(yīng)力將會增加，最終導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

表1 焊縫及連接管母材硬度值 單位：HB

2.3 材料化學(xué)成分分析

通過查閱資料SA-234WP22CL1與SA-335P22是ASME規(guī)范中用于鍋爐結(jié)構(gòu)中的一種常用鋼材，供貨熱處理形式為正火+高溫回火。表2列出了ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的母材化學(xué)成分，根據(jù)其化學(xué)成分可知，其含有較多Cr、Mo等合金元素，而較多的合金成分在管材焊接后焊縫及熱影響區(qū)存在較大的淬硬性傾向，導(dǎo)致冷裂裂紋傾向加大。加上管件壁厚較大，焊接性能較差，在焊接時(shí)如果輸入的線能量過大時(shí)，焊縫內(nèi)的晶粒將顯著變大，使焊接接頭的韌塑性降低。

表2 SA-335P22及SA-234WP22CL1的化學(xué)成分 單位：%

現(xiàn)場采用便攜式光譜分析儀對焊接接頭及附近的母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表3所示。通過與表1比較可知，該焊縫焊接接頭的化學(xué)成分在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

表3 焊縫及母材化學(xué)成分

2.4 焊接工藝分析

連接管道和集箱三通的連接焊縫為安裝現(xiàn)場焊接口且厚度較大，采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)打底+手工電弧焊(SMAW)填充、蓋面的多層多道焊接施工工藝[2]。這種焊接工藝在焊接時(shí)熔池凝固過程中，因不同層的熔敷金屬凝固速度不同從而產(chǎn)生溫差應(yīng)力，應(yīng)力釋放不充分，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力留存，這些焊接殘余應(yīng)力在焊后熱處理后未能徹底消除。其次，在現(xiàn)場焊后熱處理過程中，加熱器布置不規(guī)范，不均勻的加熱功率導(dǎo)致熱處理區(qū)域產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力[3]。在熱處理過程中三通兩端散熱，同時(shí)還有與集箱連接的受熱面小徑管散熱，使焊接預(yù)熱和后期熱處理過程中升溫速度不同，產(chǎn)生溫差應(yīng)力。焊后進(jìn)行高溫回火熱處理不僅不能消除焊接殘余應(yīng)力，還有可能形成新的熱處理殘余應(yīng)力，而且殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中會長期存在。

3 焊縫修復(fù)措施

ASME規(guī)范中SA-234WP22CL1與SA-335P22屬于珠光體型耐熱鋼，通過添加Cr、Mo等合金元素來提高鋼材的耐磨和抗高溫性能，同時(shí)由于合金元素的添加使金屬的淬硬性傾向明顯增加，在焊接過程中如果溫度控制不當(dāng)會產(chǎn)生淬硬性馬氏體組織。本次焊縫裂紋修復(fù)的重點(diǎn)在于控制再熱裂紋的敏感區(qū)范圍，減少焊縫內(nèi)殘余應(yīng)力，控制好升溫和降溫速度以避免焊縫內(nèi)粗晶區(qū)的產(chǎn)生。另外，在焊接過程中還可以使用尖頭焊縫檢驗(yàn)錘均勻錘擊焊縫表面，使焊接殘余應(yīng)力得到有效釋放。在進(jìn)行焊后熱處理時(shí)由于集箱三通結(jié)構(gòu)的原因，溫度較難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，故在加熱器的布置和升溫速度與保溫時(shí)間的控制要合理規(guī)劃，避免焊件在熱敏感區(qū)停留過長時(shí)間，主要工藝要點(diǎn)如下。

3.1 裂紋的消除

由于裂紋分布比較廣泛，故此次采取整體環(huán)切的方式進(jìn)行消缺處理。在切割前應(yīng)注意對末級過熱器進(jìn)口集箱的本體及相關(guān)管系進(jìn)行加固工作，確保在三通處環(huán)焊縫在切削過程中整體受力合理、系統(tǒng)穩(wěn)定、管道不產(chǎn)生移位以避免出現(xiàn)管系變形影響后續(xù)的焊接工作。在切割過程中要對焊口裂紋情況進(jìn)行多次無損檢驗(yàn)復(fù)查，在缺陷完全消除后即可停止切割，不可對焊縫切割過多導(dǎo)致不必要的焊接量。經(jīng)表面無損檢測確認(rèn)裂紋徹底消除后，開始進(jìn)行焊前的準(zhǔn)備工作。對已消除缺陷的部位向兩側(cè)開坡口，為避免坡口兩側(cè)的雜物對焊接過程造成影響，在坡口兩側(cè)15 mm的范圍進(jìn)行打磨直到露出金屬光澤，坡口寬度能夠保證焊條擺動(dòng)寬度，可有效控制母材和焊縫的熔合比，防止超標(biāo)缺陷的出現(xiàn)。

3.2 焊接及熱處理

根據(jù)鍋爐熱箱內(nèi)高溫集箱鑄造三通裂紋具體情況，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程中返修焊件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定了焊接及熱處理工藝卡，焊接方面重點(diǎn)從預(yù)熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓、焊層厚度等參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)控。焊接及熱處理作業(yè)人員進(jìn)行具備滿足相應(yīng)焊接方法的焊接資質(zhì)并持證上崗。由于是返修焊接，焊縫裂紋的消除應(yīng)邊車削邊檢測至缺陷消失即可，無需一次性將焊縫車削到底。裂紋消除后再根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的焊接方法，焊接時(shí)加強(qiáng)對焊接過程中的質(zhì)量管控，確保不出現(xiàn)焊接原因的返修問題。每完成一層進(jìn)行自檢合格后才能進(jìn)行下一層焊接，并根據(jù)焊口的實(shí)測溫度對預(yù)熱溫度進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。在焊縫的焊接修復(fù)過程中要用尖頭錘均勻錘擊焊道使整個(gè)焊層表面形成麻點(diǎn)，使焊接時(shí)的應(yīng)力得到部分釋放，焊接時(shí)每道焊縫最好能夠一次性完成。當(dāng)焊接過程中發(fā)現(xiàn)表面有咬邊等缺陷時(shí)，應(yīng)修磨至平滑過渡，以防止應(yīng)力集中導(dǎo)致延遲裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。焊接完成后應(yīng)將焊口表面影響熱處理的異物打磨消除，如焊瘤、焊渣、金屬飛濺物等，確保加熱器能夠焊接接頭表面充分接觸。整體焊接完成后如果現(xiàn)場條件允許應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行焊后熱處理工作。

焊前預(yù)熱﹑焊后熱處理方面重點(diǎn)從加熱時(shí)間、升溫速度、保溫時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。在預(yù)熱過程中熱電偶的布置應(yīng)設(shè)置在焊縫坡口附近，除監(jiān)控?zé)犭娕纪猓€要用遠(yuǎn)紅外測溫儀每隔一段時(shí)間測量坡口處溫度，確保坡口處溫度能夠達(dá)到規(guī)定的熱處理溫度。在焊接的預(yù)熱及焊后熱處理的分區(qū)數(shù)量與控溫?zé)犭娕嫉牟贾萌鐖D7所示。由于是修復(fù)焊接，需注意對加熱器的合理布置，加熱過程中溫度散失的補(bǔ)償工作。測溫點(diǎn)應(yīng)沿焊縫的12：00、3：00、6：00、9∶00位置均勻布置。其中控溫?zé)犭娕疾贾糜诤缚p中心，其他監(jiān)測熱電偶布置于距焊縫邊緣兩側(cè)70 mm處，以確保熱處理溫度準(zhǔn)確、可靠[4]。

圖7 熱電偶布置示意圖

根據(jù)管壁厚度，預(yù)熱溫度設(shè)置在200～300 ℃，達(dá)到設(shè)定溫度保持恒定后開始焊接工作。焊后熱處理的加熱寬度從焊縫中心起單側(cè)應(yīng)不少于500 mm，加熱范圍內(nèi)任意兩測點(diǎn)的溫差應(yīng)不大于50 ℃。保溫寬度從焊縫中心算起單側(cè)應(yīng)不少于650 mm。焊接熱處理升溫速率、降溫速率應(yīng)控制在90 ℃/h，焊后熱處理的保溫時(shí)間按焊縫的名義厚度δ′的2～3 min/mm計(jì)算，但最少不應(yīng)低于30 min[5]。其中焊縫的名義厚度δ′應(yīng)按照下列公式計(jì)算：

h<5 mm時(shí)，δ′=3h+5 mm；

h=5～10 mm時(shí)，δ′=2h+10 mm；

h>10 mm時(shí)，δ′=h+20 mm。

式中：h為返修焊縫厚度，mm。

3.3 焊后檢驗(yàn)

為了進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，應(yīng)在焊接熱處理完成后將焊縫的余高打磨至與管道母材齊平。由于此類鋼材具有再熱裂紋傾向，熱處理完成后48 h再對焊接接頭進(jìn)行100%的目視檢測、無損檢測、里氏硬度檢測。目視檢測應(yīng)使用10倍放大鏡觀察焊縫表面是否存在咬邊、未熔合、未焊透、氣孔等超標(biāo)缺陷，焊接接頭起弧和收弧位置的質(zhì)量等。焊縫焊接接頭無損檢測按NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》要求進(jìn)行表面和超聲檢測。使用便攜式硬度儀對焊接接頭進(jìn)行硬度檢測，沿焊縫周向檢測4處，每處檢測5點(diǎn)取平均值。

4 結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)尺寸及應(yīng)力、材料焊接性能及焊接工藝等方面分析了鍋爐末級過熱器進(jìn)口集箱三通焊縫裂紋產(chǎn)生的原因，提出了合理的焊接及熱處理工藝對裂紋缺陷修復(fù)。針對缺陷分析及處理過程，在后期的技術(shù)監(jiān)督時(shí)提出建議。

a.該類型三通結(jié)構(gòu)頸部較短、壁厚過渡明顯，焊接時(shí)會增加內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，并且在現(xiàn)場施工時(shí)難以保證熱處理溫度的均勻度，故在機(jī)組檢修期間要把此類型的三通列為監(jiān)督部件，加強(qiáng)監(jiān)督檢驗(yàn)力度，如有缺陷再進(jìn)行擴(kuò)大性檢驗(yàn)。機(jī)組啟停和運(yùn)行期間盡量避免溫度壓力的大幅度波動(dòng)等，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

b.在修復(fù)此類三通焊縫缺陷時(shí)需要注意輸入小的焊接線能量以及較高的預(yù)熱溫度。焊后每層都用錘子錘擊焊道釋放焊接應(yīng)力，焊后熱處理時(shí)要采用輔助加熱、增加保溫厚度和加熱寬度，保證熱處理效果。

c.焊接時(shí)每道焊的焊接接頭應(yīng)合理布置，相互錯(cuò)開一定距離，并且在焊接時(shí)應(yīng)盡量一次連續(xù)施焊完成。焊接過程中，保證焊縫30～500 mm范圍內(nèi)母材溫度在要求范圍內(nèi)，焊接層間溫度控制在300 ℃以下。當(dāng)焊接中斷時(shí)，立即進(jìn)行300～350 ℃，15～30 min的后熱且緩冷處理。再次施焊時(shí)應(yīng)對焊口進(jìn)行100%表面檢測，確認(rèn)沒有超標(biāo)缺陷后再進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接完成后，對焊縫余高進(jìn)行打磨至與母材齊平以減少焊接殘余應(yīng)力[6]。此類焊縫具有再熱裂紋傾向，故需在焊縫熱處理完成后48 h再進(jìn)行所有檢測項(xiàng)目，以確保無超標(biāo)缺陷產(chǎn)生。