高溫過熱器集箱出口三通焊縫裂紋原因分析及處理措施

徐富國，杜 平，袁啟民，王賀軍，李士峰

(大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044)

1 概述

大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司10號鍋爐為DG1025/17.4-Ⅱ12型、亞臨界參數、四角切圓燃燒、自然循環、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、半露天布置、全鋼構架的∏型汽包爐，于2010年5月投入運行。鍋爐主蒸汽管道由高溫過熱器集箱三通引出，集箱規格為φ609.6 mm×110 mm，材質為12Cr1MoVG；變徑三通規格DN609.06 mm×110 mm/DN609.6 mm×86 mm，材質為12Cr1MoVG；引出管規格φ609.6 mm×86 mm，材質為12Cr1MoVG；運行溫度為540 ℃。2010年12月運行人員巡回檢查發現爐頂吊桿處有蒸汽冒出，停機檢查發現高溫過熱器出口集箱三通與主蒸汽導汽管連接焊縫開裂、泄漏，裂紋宏觀示意見圖1。

圖1 裂紋宏觀示意

2 裂紋產生的原因分析

2.1 宏觀分析

對管道支吊架進行檢查，結果未見異常，將管道與三通沿原焊縫切斷分離后，管道未發生明顯位移，說明管系拘束應力不大，排除了管系應力造成開裂的原因。三通與引出管連接處脖頸較短，該處存在較明顯的應力集中，裂紋位于焊縫三通側熔合線上，說明該處的應力集中和熔合區的薄弱組織對裂紋的形成起到了一定的作用。在安裝過程中該焊縫經過無損檢驗，未發現夾渣、氣孔、未熔合、裂紋等超標缺陷，在運行約6個月即產生嚴重的裂紋缺陷，說明該缺陷的產生與管道材料和組織有一定的關系。

2.2 金相分析

在焊縫開裂上、下熔合線處切取試樣，鑲嵌后打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕后觀察發現三通與主蒸汽導汽管金相組織均為鐵素體+珠光體+少量碳化物，未見明顯晶粒變形，珠光體為層片狀，形態清晰，未見明顯球化，珠光體球化等級為1～2級；焊縫金相組織為鐵素體+回火貝氏體，晶粒為柱狀晶，晶粒形態及組織結構正常；焊縫熔合區過渡情況良好，組織為鐵素體+回火貝氏體，粗晶區晶粒粗大，細晶區晶粒細碎。裂紋產生于焊接熱影響區的過熱粗晶部位，止于細晶區，具有沿晶開裂的特征；主裂紋是由眾多小裂紋擴展合并形成的；粗晶區的晶界上局部存在眾多沿晶的孔洞，裂紋形態見圖2。金相分析顯示該缺陷具有再熱裂紋特征。

圖2 裂紋形態

2.3 掃描電鏡分析

對裂紋旁邊的金相組織進行電鏡分析，主裂紋周圍分布著眾多沿晶小裂紋，還存在一些未形成裂紋的孔洞，主裂紋旁小裂紋及孔洞示意見圖3。這些特征與再熱裂紋的形成過程出現的現象相吻合。

圖3 主裂紋旁小裂紋及孔洞示意

2.4 綜合分析及結論

a.由該裂紋產生的時間、條件以及金相、電鏡組織分析可知：該裂紋不具備冷裂紋、熱裂紋、疲勞裂紋、腐蝕裂紋的特征，而是具有再熱裂紋的一切特征，同時該裂紋產生的條件也完全滿足再熱裂紋產生的條件。

b.12Cr1MoVG含有一定量沉淀強化元素，依據再熱裂紋評價經驗公式PsR=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2，可算出PsR=2.02。當PsR>0時易裂[1]，12Cr1MoVG鋼的PsR=2.02，說明該材料具有較強的再熱裂紋敏感性，滿足材料具有再熱裂紋敏感性這個基本條件。

c.三通壁厚110 mm、導汽管壁厚90 mm，兩者均為大厚壁部件且壁厚相差20 mm，三通脖頸長度約為110 mm，該結構應力集中較大，在焊接區域存在著很大的殘余應力。由于壁厚差別較大，焊后熱處理時難以保證溫度均勻，從而產生較大的熱應力。滿足了焊縫存在較大焊后殘余應力的基本條件。

d.再熱裂紋的產生存在敏感溫度區，一般低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度區間為500～700 ℃，焊后熱處理的溫度為(735±10) ℃，在加熱和冷卻的過程中在此溫度區間的時間為6～10 h，正常運行時的溫度為540 ℃,這樣的溫度也處于該鋼種的再熱裂紋敏感溫度區。滿足了焊縫處在再熱裂紋敏感溫度的基本條件。

根據以上檢查及分析可以得出結論：12Cr1MoVG材質具有再熱裂紋傾向和熱處理工藝不得當是裂紋產生的主要原因。

3 修復工藝及注意事項

3.1 裂紋修復工藝

修復的主要難點是防止產生再熱裂紋。在無法對材料進行更換和改變運行參數的前提下，可采用的方法減小再熱裂紋的敏感區和減小焊接殘余應力，即通過減小焊接線能量、控制每層厚度和層間溫度等措施減小粗晶區的厚度，另外通過層間錘擊等手段減小焊接殘余應力。在焊后熱處理過程中考慮三通結構尺寸的關系，采用合理的加熱器布置和嚴格溫度控制，避免焊件在敏感溫度區內長時間停留，同時不會產生較大的殘余應力[2]，主要工藝要點如下。

a.采取機械方法去除舊焊縫，防止去除舊焊縫的過程中產生過熱組織，影響隨后的焊接工作。

b.坡口制作為雙V形坡口，該形式使其具有良好的焊接操作空間，并且焊縫金屬的填充量較少。坡口制作完成后，進行表面無損檢測，以確定是否有裂紋等危害性缺陷的存在，如果存在缺陷必須消除。

c.為防止產生再熱裂紋，必須采用較高的預熱溫度。該鋼種預熱溫度為200 ～300 ℃。結合現場的實際情況和環境溫度，應把預熱溫度定為規程規定的上限，層間溫度不超過400 ℃。焊前預熱及層間保溫要保證整個構件受熱的均勻性。

d.選擇R317焊條進行焊接。該鋼種具有一定的晶粒長大敏感性，為防止晶粒嚴重長大增加再熱裂紋的敏感性，選用較小的焊接線能量。選用直徑φ2.5 mm R31氬弧焊絲打底，填充層選用φ3.2 mm焊條。

e.禁止強力對口，每層焊道進行錘擊消應力。

f.該三通是大厚壁異形構件，在熱處理的過程中必須考慮構件整體受熱的均勻性，合理布置加熱器，防止熱處理后產生溫差附加應力。加熱功率選擇時要考慮三向散熱。綜合考慮加熱和散熱條件，整體加熱功率不低于100 kW。為保證有一定的加熱功率裕量，防止加熱器在長時間高負荷運行條件下損壞，考慮采用120 kW的加熱能量較好。保溫時間的選擇主要考慮到壁厚方向的溫度均勻性，在規程規定的基礎上延長一定的時間,保溫寬度也應延長，以保證熱處理效果。

3.2 裂紋修復注意事項

焊縫的修復過程主要涉及到機加工及對口、焊接過程、熱處理過程和無損檢測過程。這幾個過程并非完全順序進行，在各階段都存在著交叉作業，因此對整個修復過程的控制是一個系統性的工作，必須做到各工序間無縫銜接，每道工序完成后都要為后續工序創造良好的工作條件，注意事項如下。

a.機械去除舊焊縫后必須進行檢查，以確定舊焊縫是否完全清除；坡口制作過程中要及時測量坡口尺寸，防止去除金屬量過多造成對口困難；坡口制作完成后要進行無損檢測防止坡口處存在影響焊接的缺陷，并檢驗坡口尺寸。

b.預熱前要檢驗熱電偶，預熱過程中應注意升溫速度，防止超溫，保溫時間達到后，用紅外測溫儀對坡口處溫度進行檢驗。

c.焊接過程中應記錄相應的焊接參數，控制焊接電流、焊接速度、焊接層間厚度，防止出現大電流、厚焊層。每層焊完后立即進行外觀檢查，如有缺陷立即消除。每層進行錘擊，并檢查錘擊效果，要保證焊縫留有均勻的錘擊印記。

d.焊縫填充完畢后立即進行整體外觀檢查，對存在的表面缺陷立即消除，及時整理加熱器進行焊后熱處理。

e.熱處理時應注意溫度測點焊接是否牢固，加熱器與三通、管接頭之間貼合是否緊密，綁扎是否牢固，保溫層覆蓋厚度與范圍，動力線、信號線的連接是否可靠等。并對整個熱處理過程中的溫升情況、各片加熱器之間功率的分配情況密切監督。

f.熱處理后待構件完全冷卻后對需檢測區域打磨干凈，顯露出金屬光澤。考慮到三通與導汽管之間的焊縫只能進行單側UT檢測，要求把焊縫余高打平，采用小K值探頭，盡可能探測到三通側焊接熱影響區。并進行磁粉檢測和硬度檢測。

g.焊后經過表面檢查、內部無損檢驗、硬度檢查未發現超標缺陷，處理才算達到預期目的。

4 建議

a.12Cr1MoVG鋼長期用作小管和中厚壁管材料，未見有再熱裂紋缺陷的相關報道。近年來用于大厚壁管子、管件后同類型結構的三通多次發現類似的缺陷，反映出該鋼種在制作大厚壁管子、管件時再熱裂紋的敏感性增加。應對12Cr1MoVG應用于大厚壁管子、管件的適應性展開深入的研究，探討是否有必要采用其它鋼種替代，如10CrMo910、P91等。

b.變徑結構的三通頸部較短、壁厚過渡明顯，這種結構會增加焊接時的內應力，并且在現場施工時難以保證熱處理溫度的均勻，因而該種結構的三通焊口最佳的熱處理方法是爐內處理，而不應現場處理。應增加對該結構三通焊縫的無損檢測頻次，及早發現運行過程中產生的再熱裂紋。

[1] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性[M]．北京：機械工業出版社，2005．

[2] 楊瑞成,孟 威,陳 奎,等．12Cr1MoV高溫時效過程的動力學研究[J].材料科學與工藝,2008,16(1):19-22．

本文責任編輯：楊秀敏