塔式爐T23水冷壁泄漏分析及措施

顧宏偉，高錦堯

（浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧波 315612）

塔式爐T23水冷壁泄漏分析及措施

顧宏偉，高錦堯

（浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧波 315612）

通過分析寧海電廠5、6號鍋爐T23水冷壁泄漏情況，提出了在基建調試期間采取的各項應對措施，并在鍋爐水冷壁剛性附件結構設計、制造及T23水冷壁安裝工藝等方面提出建議，為同類型鍋爐提供借鑒。

T23；泄漏；分析；措施

隨著電力工業的迅速發展,機組參數不斷提高，新的鍋爐用鋼不斷出現，T23鋼就是其中之一。SA-213 T23鋼是由日本開發研制的用于超臨界機組的新型低合金高強度耐熱鋼，具有良好的抗高溫蠕變強度。據國外資料介紹該鋼種焊前不需預熱、焊后無需熱處理。因膜式水冷壁安裝無法進行熱處理，寧海電廠二期工程1 000 MW機組塔式爐水冷壁從鍋爐41 m層螺旋水冷壁開始至上部垂直水冷壁高溫段設計采用了此鋼種，但實際運行后多次在鍋爐T23水冷壁管拼縫、剛性梁結構附件的焊縫處出現裂縫并最終導致泄漏。通過查找各方面原因并采取一系列措施，減小了由于鍋爐泄漏對機組造成的影響。

1 T23水冷壁泄漏情況

據統計，寧海電廠5號鍋爐水冷壁共計發生泄漏6次，17根管泄漏，6號鍋爐發生泄漏2次，6根管泄漏。調試期間停爐8次，每次都發生泄漏，且漏點都集中在鍋爐燃燒器區域41 m層及以上 T23水冷壁，多數為爐膛轉角、膨脹死點、水冷壁剛性梁及梳形板等處，以及垂直段和螺旋端過渡段的安裝或制造焊口與鰭片相交處。

2 測試分析

2.1 宏觀分析

漏點分布在螺旋水冷壁轉角剛性梁附件、填塊與水冷壁管焊縫處、燃燒器區域轉角彎頭焊縫與鰭片焊縫相交處、垂直段與螺旋段過渡段加強筋板處、水冷壁鍛造V型三通 （F23）、鍛造彎頭（F23）、十二通（F23）焊口與鰭片焊縫處、梳形板與管子焊縫處，泄漏均為裂紋形式。從結構上看，漏點處束縛力較大。泄漏均發生在停爐期間，漏點都是在停爐后進行水壓試驗檢查時發現的。

2.2 化學成份分析

據蘇州熱工研究院提供的化學成分分析報告，水冷壁管材料成分、組織、性能等均符合相關要求，焊材選用合理。

2.3 機械性能試驗

現場取樣T23水冷壁直管母材做機械性能試驗，其拉伸、壓扁、常溫沖擊試驗結果表明現場水冷壁管母材性能符合要求。

2.4 焊接應力檢測

現場采用小孔釋放法對6號鍋爐T23材料水冷壁焊縫處的殘余應力進行測試。測點位置選擇在螺旋段水冷壁轉角剛性梁和水冷壁中間膨脹死點處。表1所示為殘余應力測試計算結果，可見，2號測點最大應力達387 MPa，已接近T23鋼的材料標準屈服極限的下限，5號測點達到了352 MPa。測試結果表明現場T23水冷壁外側剛性梁附件焊縫處焊接應力較大。

表1 殘余應力測試計算結果表

2.5 硬度測試

焊縫位置硬度測試與測點焊接殘余應力相同，測試結果見表2。

表2 硬度檢測結果表

由表2可見，鰭片與管子的角焊縫處母材和焊縫硬度均處于較低水平，其中T23管母材的硬度均分布在HB130～HB140，而管子與鰭片焊縫處的硬度大多分布在HB200～HB220。結合殘余應力測試的結果，雖然測點2及測點5的殘余應力較高，但其硬度并沒有明顯增大。硬度檢測初步說明，水冷壁裂紋的產生與T23鋼焊接接頭淬硬組織導致水冷壁裂紋無關聯。

2.6 金相分析

對泄漏水冷壁管進行取樣分析，裂紋處金相組織分析表明，泄漏管向火面主裂紋起源于焊縫與母材夾角處，從外壁粗晶區沿熱影響區向內擴展，裂紋尖端止于細晶區。主裂紋較寬，宏觀發展方向同結構應力方向一致，左下圖主裂紋附近有一條次裂紋，也起源于焊縫與母材夾角附近，但長度較短，寬度較窄。金相組織照片見圖1。

圖1 裂紋處金相組織照片

金相分析結果表明，抽樣漏點1（左上、右上照片）向火面母材晶粒度為3～5級，含裂紋的背火面組織有混晶特征，晶粒度為3～8級。該處母材金相組織存在局部晶粒粗大和混晶現象，而在取樣直管母材金相檢驗中并未發現此現象。母材硬度處在正常范圍，但焊縫硬度值較低，無明顯淬硬組織現象。裂紋在水冷壁管背火面，主裂紋起源于焊縫與母材夾角，裂紋沿熔合線方向在粗晶區啟裂，存在再熱裂紋特征；但在應力作用下，裂紋從外壁粗晶區向內擴展，裂紋尖端止于細晶區。沿熔合線的粗晶區存在晶界弱化現象，晶界處有碳化物析出。

抽樣漏點2（圖1左下、右下照片）位于水冷壁向火面管子與鰭片焊接接頭部位，該處疊加了埋弧焊及手工焊焊縫。微觀金相檢驗表明，主裂紋啟裂于手工焊焊趾處，從外壁粗晶區沿熱影響區向內擴展，裂紋尖端止于細晶區。主裂紋較寬，且宏觀發展方向同結構應力方向一致。附近有1條與主裂紋平行的次裂紋，但長度較短，寬度較窄。金相檢驗表明裂紋擴展有沿晶特征，并且主裂紋啟裂處在粗晶區發現沿晶微裂紋，表明具有再熱裂紋特征。

3 泄漏原因分析

3.1 T23鋼的冷裂紋傾向

根據資料介紹，T23鋼對冷裂紋的敏感性很低，其無裂紋傾向的預熱溫度為20℃，在焊接薄壁、小直徑鍋爐受熱面管子時，若環境和工件溫度在20℃以上，就可以不做焊前預熱。但上海鍋爐廠的斜Y型拘束試驗表明，T23鋼在預熱溫度為100℃時才能保證無裂紋，其生產實踐證明T23鋼有一定的冷裂傾向，可焊性差于國外資料的介紹。因此，厚壁大拘束構件的焊接，若不采取適當的預熱，冷裂紋的產生難以避免。

3.2 T23鋼再熱裂紋傾向

上海鍋爐廠曾通過斜Y型拘束焊接試驗方法對T23鋼的再熱裂紋敏感性進行試驗研究，對日本和國內生產的2批T23鋼進行焊接性試驗。試驗用焊條牌號為HCM2S，直徑Ф3.2 mm，焊接方法為手工電弧焊 （SMAW）。試驗結果表明，在600℃～760℃時，T23鋼均有不同程度的裂紋產生，最敏感的溫度范圍是690℃～760℃。并且，在相同的再熱溫度下，預熱溫度越高，再熱裂紋率越低，因此提高預熱溫度可在一定程度上避免再熱裂紋的產生。SA387-GR12CL1為美國牌號低合金耐熱鋼，與國產15CrMo相近，寧海電廠與T23水冷壁管焊接的鰭片、嵌板等均采用該鋼種。T23鋼屬2.25Cr-1.6W-V-Nb鋼，而SA387鋼為1Cr-0.5Mo鋼，這兩種鋼屬同類不同牌號，化學成分、力學性能有較大差異，從而造成異種鋼焊接中的成分、組織及接頭力學性能不均勻，在焊接材料及焊接工藝不當的情況下，會促進再熱裂紋的產生。

3.3 綜合分析

綜合以上分析，T23鋼材料具有一定的冷裂紋和再熱裂紋傾向，特別是在環境溫度低于20℃時施焊，在T23鋼結構拘束度較大且應力集中部位更容易產生冷裂紋和再熱裂紋。再熱裂紋通常發生在熔合線附近的粗晶區中，從焊趾部位開始，向細晶粒區發展并停止。產生原因是再加熱時，第一次加熱過程中過飽和固溶的碳化物再次析出，造成晶內強化，當晶界的塑性應變能力不足以承受松弛應力產生的應變時，就產生再熱裂紋。鋼的晶粒度越大，越容易產生再熱裂紋。T23鋼種再熱裂紋敏感性遠大于T22鋼，與國產的102鋼有相似之處。當焊接線能量偏大、結構拘束度大，使焊接接頭應力集中，加之現場水冷壁焊后由于其特殊結構無法進行熱處理，將進一步影響焊接應力的釋放。如果鍋爐廠制造水冷壁管排時由于焊接的連續性和工序的要求，無法在焊接完成后立即進行熱處理或熱處理不當，也會導致再熱裂紋的產生。

焊接接頭應力水平與焊接結構拘束度有密切關系。水冷壁剛性梁附件在T23水冷壁外大量焊接，形成較高的應力水平和應力集中，容易誘發焊縫及焊縫附近區域產生裂紋，尤其是在焊有厚壁附件的膜式水冷壁轉角部位、垂直段和螺旋段過渡段漲力板、水冷壁管排上的梳形板、密封盒等附件，約束度很大。鍋爐停爐過程中，隨著水冷壁管的溫度下降，收縮應力產生，在焊接應力較大部位容易產生裂紋。膜式水冷壁管在現場焊接完成后，還必須焊接鰭片，疊加焊接造成焊接輸入熱量較大，另一方面由于拼縫較多，焊接工序和焊接質量也不被重視，因此在焊接過程中難免產生焊接表面缺陷和造成較大的焊接應力，在鍋爐啟停冷熱交替中最終導致裂紋的產生。

4 措施及建議

4.1 鍋爐水冷壁附件的設計

由于膜式水冷壁結構特點導致結構應力很大，特別是在螺旋段水冷壁的4個轉角處、垂直段和螺旋段過渡處。建議在設計時盡量避免附件與T23管直接焊接，將填塊改成U型卡在管道上與鰭片直接焊接。在密封盒、梳形板處用墊板，避免和管道直接焊接，通過與鰭片焊接保證強度。在一些較長的梳形板上有必要每隔300 mm開設應力釋放槽。通過強度計算，將部份連續焊縫改為間斷焊縫。從目前情況看，在對轉角部位和膨脹死點處填塊、附件鋼板處開設應力槽后，未再發現泄漏情況。

4.2 鍋爐制造及安裝工藝

焊接水冷壁附件時應合理安排焊接順序，如對稱焊、退焊、跳焊等，減少余高和焊接應力，避免咬邊、缺口及根部未焊透等缺陷。T23水冷壁鰭片和嵌板塊、剛性梁連接板、吊耳等附件角焊縫焊接應注意組裝質量，避免強力組裝及間隙過大，間隙過大時應相應增加密封條。

在滿足設計要求的前提下盡量減少焊接量。由于材料的敏感性，過渡段鍛件拼縫焊接是焊接裂紋的多發區域，因此，應采用成熟的焊接操作法。

預熱有利于防止再熱裂紋，但預熱溫度應高于防止冷裂紋的預熱溫度或配合焊后熱處理。建議焊前預熱溫度：氬弧焊（GTAW）150℃～200℃，手工電弧焊（SMAW）200℃～250℃，層間溫度200℃～350℃。改善焊后熱處理工藝，當鍋爐安裝現場的施工作業難以實現焊后熱處理時，應采用火焰或其他加熱方式，將焊縫附近加熱到300℃～350℃進行低溫焊后熱處理，以降低焊接接頭中氫的擴散。在制造廠內，管排盡量采用焊后熱處理工藝，但應盡可能避開T23鋼再熱裂紋敏感溫度區間。

T23管件焊接盡量采用GTAW，同種管材用TGS-2CW焊絲，與材質為SA387-Gr12CL1的附件焊接用TIG-R30焊絲。若采用SMAW宜選用Φ2.5 mm焊條，焊接電流控制在90～110 A，適當提高焊接速度，降低電弧電壓。焊前應徹底消除焊縫處的水、銹、油。焊接操作盡量多層多道焊，避免各種工藝缺陷，并對焊趾處作適當修磨處理，以降低應力集中程度和啟裂源。焊后用錘擊法敲擊焊縫也可減少應力。

4.3 加強廠內和現場焊接管控和驗收

加強T23的焊接管控，設專人進行不間斷監督檢查，特別是應派人常駐制造廠監督是否按焊接工藝進行。由于現場焊接工作量大，參與T23管焊接或與其拼縫、附件焊接的人員必須經過現場焊接考試，熟知焊接次序、工藝，考試合格方可上崗。現場做好實地抽查，建立T23焊接管理網絡。焊接完成后及時做好100%外觀檢查記錄。焊接操作應避免未焊透、未熔合、咬邊、夾渣、背面氧化嚴重等工藝缺陷。焊趾處應覆層或GTAW重熔、修磨使其圓滑過渡，以減少應力存在的條件。及時處理不合格外觀，做好焊縫的100%PT、MT檢查。

4.4 加強停爐期間水壓試驗檢查

鑒于上述鍋爐泄漏發生在停爐期間，每次停爐必須安排鍋爐一次汽系統水壓試驗，以避免再次啟動后由于水冷壁泄漏造成更大的經濟損失。試驗時應做好與二次系統的隔離措施，防止漏入二次系統。如果機組未設電動給水泵，停機后開汽泵也不切合實際，并且浪費大量人力物力，有必要單獨設一套打壓系統。根據實際經驗，至少選擇流量為140 L/min的柱塞泵，設2臺為最佳，由于打水壓試驗主要是排查漏點，因此壓力的選擇可根據用戶的實際需要。由于爐外壁包覆保溫層，不易檢查泄漏點，建議在垂直段和螺旋段的過渡段下方和T23水冷壁最下方增設2道可拆卸保溫層，便于水壓試驗時檢查，外側4層大剛性梁的4個轉角和中心膨脹死點處采用可拆除保溫層，基建期可考慮外護板先不安裝。在檢查過程中可能有漏點在保溫層中不易暴露，保壓時間應盡可能延長，最好晚上保壓、白天檢查，檢查時拆除保溫層，檢查是否有濕潤現象，爐內使用強光手電檢查。

5 結語

目前只對2個樣件進行抽樣金相組織分析，并提出了幾點應對措施，供同類型鍋爐參考，以期最大限度地減少因鍋爐泄漏造成的經濟損失。國內對此類膜式水冷壁剛性梁結構及其應力特性、T23材料的特性研究較少，因此還需對裂紋管擴大抽樣金相分析，改進膜式T23水冷壁附件結構設計，T23管材性能、T23+F23，T23+SA387焊接工藝、T23焊后熱處理工藝等還有待研究和積累經驗，以便優化超臨界鍋爐的設計、制造及安裝工藝。

[1]張波，高子瑜，王德泰，等.HCM2S鋼再熱裂紋敏感性的試驗研究[J].動力工程，2006（2）:300-303.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis and Countermeasures of T23 Water Wall Leakage in Tower Type Boiler

GU Hong-wei，GAO Jin-yao
（Zhejiang Guohua Zheneng Power Generation Co.，Ltd,Ningbo Zhejiang 315612，China）

s:This paper analyzes ofthe T23 water wallleakage of No.5 and No.6 Boilers in Ninghai Power Plant, puts forward various countermeasures during capitalconstruction and comissioning period and make suggestions on the aspects ofthe structure design and manufacturing ofthe rigid accessories ofthe boiler water wall,installation technology of T23 water wall etc.to offer a reference for the same type of boilers.

T23；leakage；analysis；measures

TK226+.2

：B

：1007-1881（2010）08-0037-04

2010-01-07

顧宏偉 （1978-），男，浙江上虞人，工程師，從事電廠鍋爐技術管理工作。