減溫器12Cr1MoVG集箱三通焊接裂紋的補焊修復

曹德輝，戴晟，王金芳

(1.廣東火電工程總公司，廣州市，510730;2.臺州學院，浙江省臺州市，318000)

0 引言

某發電廠1000 MW超超臨界燃煤發電機組鍋爐為超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛雙切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼架懸吊結構，半露天Π型布置。在Ⅰ級減溫器低過出口集箱三通、分隔屏進口集箱三通與接管安裝期間及吹管后，發現減溫器的7個集箱三通焊口(規格φ457 mm×77.8 mm，材質12Cr1MoVG)邊沿出現裂紋缺陷。減溫器是燃煤發電機組鍋爐非常關鍵的部件，減溫器集箱三通焊口的裂紋缺陷如果不及時處理或處理不當，將產生難以估量的后果及損失。因此，需要通過分析12Cr1MoVG材料的特性，制定合理的補焊修復工藝，完成減溫器集箱三通裂紋缺陷的修復補焊工作，保證機組鍋爐的正常工作。

1 12Cr1MoVG鋼焊接性分析

12Cr1MoVG鋼屬于1Cr-Mo-V型珠光體耐熱鋼，是在Cr-Mo合金基礎上增加了0.15% ～0.30%的V，其化學成分(質量分數)見表1［1-4］。該鋼種通過嚴格控制冶煉扎制等工藝，具有較高的熱強性和持久塑性，在580℃以下具有較好的強度，被廣泛用于火電站機組鍋爐過熱器和再熱器、集箱及管道等構件的制造［5-8］。12Cr1MoVG鋼的常溫力學性能如表2所示。

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按照國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量公式及冷裂紋敏感指數公式［6，9］計算可得12Cr1MoVG鋼的碳當量CE(IIW)為0.417% ～0.647%，冷裂紋敏感指數 Pcm為 0.151% ～0.271%，由此可以看出12Cr1MoVG鋼具有一定的焊接冷裂傾向，施焊時需進行適當的預熱，而且應嚴格控制層間溫度，焊后必須及時進行焊后熱處理。

2 裂紋修復技術難點

在對集箱三通焊接接頭進行補焊前，需要去除原安裝焊縫或補焊的部分并打磨。焊縫切除、坡口加工時面臨降低對母材的損傷、去除淬硬層、避免坡口尺寸過大等技術難題。由于集箱三通材料12Cr1MoVG鋼具有一定的冷裂紋和再熱裂紋傾向，因此在焊接、熱處理過程中應采取措施防止產生冷裂紋和熱裂紋。而且個別集箱三通的12Cr1MoVG鋼在檢測時存在硬度超過標準要求的上限值，使材料脆性增大，韌性和塑性降低，重新補焊技術難度增大，裂紋傾向加大。對焊連接工件的結構尺寸有一定的差異，且結構尺寸、管道壁厚都較大，其中集箱三通壁厚為77.8 mm，這將對補焊修復過程產生不利因素，容易出現焊接冷裂紋，造成焊縫殘余應力過大，增加焊后熱處理難度。同時，管道焊口重新焊接需要經歷多次熱過程，工藝復雜、工序繁多。因此，必須要制定科學、合理的焊接及焊后熱處理工藝規程，特別是要選擇合理的焊接材料，從而在確保焊接性的同時保證并提高焊接接頭的使用性能。

3 補焊修復工藝

3.1 裂紋去除及坡口加工

對減溫器三通焊接接頭進行超聲波探傷與磁粉探傷檢驗，確認裂紋所在位置，然后采用砂輪機、坡口加工機等工具進行裂紋清除和坡口制備，將原焊縫及熱影響區清除干凈。打磨過程中輔以滲透檢驗，以確認裂紋消除情況直至裂紋全部消除。

裂紋去除和坡口加工時應在保證減溫器三通焊接接頭補焊修復質量的前提下盡量減小工作量。坡口形狀如圖1所示，圖中Hc和Hm分別為裂紋深度和打磨深度。坡口加工時應依照消除裂紋后溝槽的形狀稍加拓寬，尖角部位圓滑過渡，打磨深度Hm為在裂紋深度Hc的基礎上增加3～4 mm。圖2為裂紋打磨后的照片。

坡口加工完成后，需對坡口表面進行全面的磁粉探傷或滲透檢驗，確認無裂紋等表面缺陷，且檢查布氏硬度(135～179)。徹底清除加工部位以及周圍60 mm范圍內的油、水、銹等影響焊接質量的污物，露出金屬光澤。焊前用丙酮擦洗坡口。

3.2 焊前預熱

施焊前必須進行預熱，預熱采用電加熱的方式進行，每側預熱加熱寬度不小于3倍管道壁厚，以保證加熱溫度梯度的平穩。預熱加熱器、熱電偶的布置應盡量靠近坡口邊緣，加熱器距坡口邊緣約為20 mm，熱電偶距坡口邊緣約為20～25 mm。為保證整個集箱三通焊接區的預熱效果，在三通的另外兩端分別安置加熱器和熱電偶，每側加熱寬度為3倍管道壁厚，熱電偶布置在各自加熱器中間。預熱時，應采用遠紅外測溫槍(或接觸式測溫儀)測量坡口的溫度，并與熱處理數字顯示儀顯示的溫度比較，用來確定熱處理設備記錄數據與實際溫度的誤差值。預熱過程中應考慮到此誤差值，并采取措施作相應補償。焊前預熱溫度為250～300℃，預熱升溫速度應小于或等于75℃/h，當管道外壁溫度達到預熱溫度時，應保溫2 h以確保焊接坡口根部處溫度達到工藝要求。

3.3 焊接施工規范

根據12Cr1MoVG鋼集箱三通的補焊特點，為保證焊接質量，采用手工電弧焊，采取多層多道焊的焊接工藝，焊接材料選擇及焊接工藝規范如表3所示。焊接時盡量采用小工藝參數。打底焊接時選用φ3.2 mm的焊條，中間焊接時選用φ4.0 mm的焊條，蓋面焊接時選用φ3.2 mm焊條。焊條必須經350℃左右恒溫處理2 h后放到焊條保溫桶內隨用隨取。

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焊接應逐層進行，一道焊畢之后須自檢合格和徹底清除焊渣后方可進行下一道焊接，層間焊縫的清理、缺陷的處理均采用機械打磨的方式，用角磨機或鋼絲刷徹底清理焊渣及飛濺物，特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處，必須去除可見缺陷，嚴防夾渣、咬邊等缺陷的產生及殘留。不允許采用將缺陷部位重新熔化的方法消除缺陷。

為減少焊接變形和接頭缺陷，施焊時需采取2人對稱焊。對稱焊的2個焊工必須配合好，2人不得在同一處收頭，以免局部溫度過高，影響焊接質量。每層焊道接頭應錯開10～15 mm，同時注意盡量使焊道平滑過渡，便于清渣，避免出現“死角”。為保證后一焊道對前一焊道起回火作用，焊接時每層焊道的厚度控制在3 mm以內。焊條擺動直徑不能大于3倍的焊條直徑。注意焊縫的圓滑過渡，避免出現應力集中點，收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好，蓋面焊完成后在三通側焊縫與母材熔合處用φ3.2 mm焊條再焊1道，并在熱態狀態下打磨圓滑過渡，以減少應力集中。焊縫整體焊接完畢，應使用砂輪機或鋼絲刷將焊縫表面焊渣、飛濺物清理干凈。

3.4 焊接過程中的層間溫度控制

控制適當的層間溫度可以減慢焊縫的冷卻速度，降低金屬凝固時的應變速率，當冷卻速度低于熔池一次結晶速度時，可降低熱裂紋的危險性［1］。同時適當的層間溫度可以有效地防止氫含量的逐層積累和產生彎曲變形而帶來根部應力集中。在12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接裂紋返修補焊時，層間溫度為300～350℃。

3.5 焊后熱處理`

補焊完成并經檢查合格后必須立即進行熱處理，在焊縫中間和直管上各加1條熱電偶作為監控。加熱器、熱電偶布置和保溫棉安裝如圖3所示，熱處理功率為80 kW。熱處理過程中采用雙電源電路，一用一備。安裝加熱器時，應先將焊件表面的焊瘤、焊渣、飛濺物清理干凈，使加熱器與焊件表面貼緊，必要時，制作專用夾具。加熱寬度不小于管件壁厚的6倍，且不小于300 mm，同時應采取措施降低周向和徑向的溫差。焊后熱處理的保溫寬度不得少于管子壁厚的10倍，并盡可能增大保溫區間，且應至少比加熱器的安裝寬度大100 mm，保溫棉的厚度為60～80 mm。

圖3 焊后熱處理加熱器、熱電偶和保溫棉安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of heaters，thermocouples and insulation cotton in post-weld heat treatment

焊后熱處理工藝過程曲線如圖4所示。當裂紋缺陷深度不小于30 mm時，補焊完成后需要先進行消氫處理，即以75℃/h的速度升溫至300～350℃，恒溫2 h，然后再按圖4所示工藝曲線進行焊后熱處理。當溫度降至200℃以下，拆除保溫裝置。

圖4 焊后熱處理工藝曲線Fig.4 Process curve of post-weld heat treatment

4 焊接質量檢驗

(1)對焊口進行100%的外觀檢驗，表面無氣孔、裂紋、凹坑、夾渣等缺陷，焊縫邊緣過渡圓滑，焊縫尺寸符合設計及規程要求。

(2)對焊口進行100%的超聲波探傷和100%的磁粉探傷，焊縫均未發現超標缺陷。

(3)使用便攜式硬度儀現場進行100%硬度檢查。12Cr1MoVG鋼母材的布氏硬度實測值約為148～178，焊縫區的布氏硬度平均實測值約為234。

5 結語

針對發電機組鍋爐Ⅰ級減溫器12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接接頭裂紋缺陷的補焊修復，根據構件的結構特點和12Cr1MoVG鋼的材料性能，合理選擇補焊工藝措施及焊接規范，可以保證補焊修復后接頭的焊接質量。

補焊焊口的超聲波探傷和磁粉探傷均未發現超標缺陷;12Cr1MoVG鋼母材的布氏硬度實測值和焊縫區的布氏硬度平均實測值均符合12Cr1MoVG鋼焊縫硬度要求。檢驗結果說明減溫器12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接接頭的補焊修復取得了良好的效果。

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