3098t／h塔式鍋爐水冷壁焊縫泄漏分析及處理

薛 軍，杭桂男

（江蘇常熟發(fā)電有限公司，常熟215500）

1 設(shè)備概況

某1 000MW超超臨界機(jī)組配套鍋爐為超超臨界參數(shù)直流塔式鍋爐，水冷壁采用螺旋管加垂直管的布置方式，從爐膛冷灰斗至標(biāo)高69m處為螺旋水冷壁，螺旋水冷壁上方為垂直水冷壁，螺旋水冷壁與垂直水冷壁采用中間聯(lián)箱連接過渡。自2012年12月初點(diǎn)火啟動(dòng)，至2013年1月中旬，該鍋爐水冷壁管對(duì)接焊縫處共發(fā)現(xiàn)98處泄漏（其中5處為臨時(shí)堵漏處再次泄漏），漏點(diǎn)部位材料為 T23，直徑為 38．1mm、壁厚為 6．5 mm，缺陷性質(zhì)為焊縫橫向裂紋和環(huán)向裂紋。筆者對(duì)T23焊縫裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，采取有效措施使T23焊縫裂紋得到了有效控制。

2 理化試驗(yàn)

2．1 宏觀檢查

為便于分析，將3只泄漏管樣編號(hào)為“環(huán)1”、“環(huán)2”及“橫1”試樣，分別代表2只環(huán)向裂紋管樣和1只橫向裂紋管樣。

“環(huán)1”、“環(huán)2”試樣裂紋缺陷正好位于管子對(duì)接焊縫上，垂直于管子軸線呈環(huán)向分布，周向位置位于某側(cè)鰭片下方，將管子從鰭片角焊縫處剖開后可觀察到清晰的環(huán)向裂紋（見圖1）［1］。

圖1 “環(huán)1、環(huán)2”試樣裂紋形貌

“橫1”試樣在外壁進(jìn)行滲透試驗(yàn)后，在內(nèi)壁能觀察到泄漏處的紅色缺陷痕跡，外壁焊縫處經(jīng)打磨后進(jìn)行著色探傷，只能觀察到非常淺的裂紋痕跡，但內(nèi)壁開裂較明顯（見圖2），裂紋為平行于管軸線的焊縫橫向裂紋，橫貫整個(gè)對(duì)接焊縫，且延伸進(jìn)入母材。泄漏位于管子背火面中間位置［1］。

圖2 “橫1”試樣內(nèi)壁橫向裂紋

2．2 金相分析

2．2．1 “環(huán)1”試樣

“環(huán)1”試樣環(huán)形裂紋位于焊縫區(qū)域，焊縫分兩層：打底層和蓋面層。開裂底部開口較大，組織為少量馬氏體＋貝氏體（見圖3）；開裂中部（兩層焊縫交界處）出現(xiàn)較多的馬氏體，且裂紋為穿晶形式；開裂尾部（進(jìn)入鰭片角焊縫前）晶粒非常粗大，裂紋寬度明顯變細(xì)，且轉(zhuǎn)為沿晶形式，組織亦有少量馬氏體。

圖3 “環(huán)1”試樣開裂底部組織

裂紋旁焊縫各區(qū)域的顯微硬度在330HV左右，裂紋上部靠鰭片角焊縫處由于鰭片焊接的影響，硬度高達(dá)377HV。

2．2．2 “環(huán)2”試樣

“環(huán)2”試樣裂紋開裂位于焊縫區(qū)域，經(jīng)過打底焊縫及蓋面焊縫，未進(jìn)入鰭片角焊縫。打底焊縫僅1mm厚，蓋面焊縫晶粒非常粗大。內(nèi)壁開裂處（打底焊縫處）為馬氏體組織（見圖4），開裂為穿晶形式；開裂中部（蓋面焊縫下部）組織為針狀的貝氏體，但晶粒粗大；開裂尾部（進(jìn)入鰭片角焊縫熱影響區(qū)）有少量馬氏體。未開裂部分觀察面焊縫根部顯微組織為貝氏體組織，未見馬氏體（見圖5）。

圖4 開裂內(nèi)壁處形貌

圖5 未開裂處觀察面焊縫根部顯微組織

2．2．3 “橫1”試樣

“橫1”試樣橫向裂紋出現(xiàn)在背火面。背火面裂紋開裂內(nèi)壁處及開裂中部組織形貌均為馬氏體＋貝氏體，開裂中部組織形貌見圖6。可見裂紋為沿晶形式，蓋面焊縫晶粒粗大，打底焊縫開裂處晶粒相對(duì)細(xì)小。除此之外還觀察到在背火面裂紋旁部分區(qū)域出現(xiàn)單層焊縫。

圖6 開裂中部顯微組織

“橫1”試樣向火面布氏硬度值為300HBW、302HBW、305HBW，背火面橫向裂紋旁的布氏硬度值為310HBW、307HBW。

2．3 沖擊試驗(yàn)

在射線探傷有橫向裂紋的管段中選取18號(hào)與22號(hào)管樣，制取焊縫沖擊試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。18號(hào)管3只試樣的沖擊韌性為6．5J、7．0J、7．0J；22號(hào)管3只試樣的沖擊韌性為8．5J、10．0J、12．0J。

3 原因分析

3．1 開裂特征

裂紋的沿晶特征表明：T23焊縫在早期運(yùn)行過程中存在晶界弱化（晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化）；環(huán)向裂紋的穿晶特征說明該處的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)對(duì)裂紋的產(chǎn)生起主要作用，也可能是在運(yùn)行前就已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋，運(yùn)行中進(jìn)一步擴(kuò)展。

3．2 焊接因素

金相和硬度結(jié)果表明：出現(xiàn)裂紋的打底層焊縫組織淬硬傾向比較明顯，出現(xiàn)較多的馬氏體組織，且硬度較高，因?yàn)樵谄鸹』蚴栈√帲捕纫嗖痪鶆颍涣硗庠诃h(huán)向開裂處裂紋尾部組織由于鰭片焊接的影響硬度很高。可見，雖然沒有焊接缺陷存在，但組織淬硬、硬度偏高是產(chǎn)生裂紋的原因之一

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫的沖擊韌性非常低，這是焊縫產(chǎn)生裂紋的原因之一。

在制造廠生產(chǎn)的T23水冷壁因能及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，焊縫很少出現(xiàn)裂紋；而在現(xiàn)場(chǎng)焊接的T23水冷壁沒有立即進(jìn)行焊后熱處理或后熱處理，或者沒有按要求處理到位，以至在焊接接頭處存在較大的殘余應(yīng)力和未及時(shí)去氫，是焊縫產(chǎn)生裂紋的主要原因。

焊縫層數(shù)一般只有兩層，在“橫1”試樣中部分位置甚至只有一層焊縫，這不利于焊縫晶粒細(xì)化和焊接應(yīng)力的釋放。

3．3 應(yīng)力因素

焊縫環(huán)向裂紋和橫向裂紋出現(xiàn)的位置比較固定，橫向裂紋符合主應(yīng)力（蒸汽內(nèi)壓造成的環(huán)向應(yīng)力）開裂的特征，但也會(huì)受到整個(gè)管屏結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響；環(huán)向裂紋出現(xiàn)在兩側(cè)鰭片角焊縫下方的管子對(duì)接焊縫，該處應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜，存在雙重的焊接殘余應(yīng)力和管屏的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，由于受到鰭片的約束，該處焊縫不易產(chǎn)生橫向裂紋，更傾向于產(chǎn)生由管子軸向應(yīng)力導(dǎo)致的環(huán)向裂紋，這個(gè)軸向應(yīng)力包括焊接應(yīng)力和服役過程中管子與鰭片溫度變化速率差異導(dǎo)致的熱應(yīng)力。

早期運(yùn)行過程中，焊縫在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力作用下，容易在薄弱環(huán)節(jié)（起弧、收弧處或其他組織不均勻、淬硬處）產(chǎn)生裂紋，焊縫的粗大晶粒導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展。當(dāng)鍋爐整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接應(yīng)力得到釋放后，裂紋的出現(xiàn)概率將會(huì)大大降低。

4 技術(shù)措施

利用臨時(shí)檢修機(jī)會(huì)對(duì)標(biāo)高90m、70m、38～69m處水冷壁T23安裝焊口做了一次全面質(zhì)量普查（射線、磁粉、硬度檢查），另對(duì)12Cr1MoVG＋SA182F23異種鋼焊口及部分設(shè)備焊口進(jìn)行了抽查，共檢查T23焊口6 046只，發(fā)現(xiàn)有裂紋的焊縫479只，發(fā)生率為7．92% 。裂紋大多為橫向裂紋，沿焊縫縱向穿過，少數(shù)為環(huán)向裂紋。

對(duì)出現(xiàn)裂紋的焊縫，全部換管處理，并嚴(yán)格執(zhí)行下列焊接工藝：

（1）焊口焊接采用全氬弧焊（GTAW）方法，焊絲選用 Union IP23［2］。

（2）焊接前的預(yù)熱溫度為100～150℃，預(yù)熱方法采用氧氣－乙炔中性火焰加熱，預(yù)熱的寬度推薦從對(duì)口中心開始算，每側(cè)不小于100mm；火焰中心應(yīng)在管子的軸向方向上均勻移動(dòng)，以使管子能充分預(yù)熱，管子的向火面和背火面都應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱［3］。

（3）采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀或測(cè)溫筆進(jìn)行檢查預(yù)熱溫度，以確保焊前能達(dá)到所需的預(yù)熱溫度。

（4）點(diǎn)固焊采用氬弧焊，點(diǎn)固焊位置在坡口根部，焊后應(yīng)檢查各個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量，如有缺陷應(yīng)立即清除，重新進(jìn)行點(diǎn)焊；點(diǎn)固焊工藝同該焊縫相同的焊接工藝，否則須在正式焊縫焊接前進(jìn)行打磨去除。

（5）第一層焊縫完成焊接后應(yīng)進(jìn)行目視檢查（尤其是在起、息弧點(diǎn)），經(jīng)自檢合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防止產(chǎn)生裂紋；如檢查發(fā)現(xiàn)任何裂紋等缺陷，必須清除后再進(jìn)行焊接［2］。

（6）為減少焊接變形和高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，采用兩人對(duì)稱焊接，對(duì)接焊口的熔敷金屬應(yīng)均勻。

（7）施焊中應(yīng)特別注意接頭和收弧的質(zhì)量，任意兩道焊縫的接頭至少錯(cuò)開10mm，熄弧時(shí)應(yīng)填滿弧坑，將熔池逐漸縮小并移向焊縫邊緣處收弧（收弧時(shí)注意回焊），避免產(chǎn)生弧坑裂紋。

（8）焊工完成對(duì)接焊口焊接后，進(jìn)行焊渣清理并自檢。焊完后立即用火焰加熱方式進(jìn)行后熱，后熱溫度為200～400℃，加熱時(shí)間至少10min，加熱范圍為焊口側(cè)各150mm；完成后熱工作后，焊口向火面和背火面都覆蓋硅酸鋁保溫棉，使焊口緩冷到室溫。如果焊口焊接過程中斷，應(yīng)立即進(jìn)行后熱并緩冷到室溫，重新恢復(fù)焊接前應(yīng)再次進(jìn)行預(yù)熱［3］。

用切割機(jī)每隔6根水冷壁管開設(shè)應(yīng)力釋放槽，開設(shè)長(zhǎng)度為焊口兩側(cè)各150mm。

嚴(yán)格焊接過程的質(zhì)量控制，特別是T23管子焊接、鰭片焊接的預(yù)熱和后熱處理的過程控制。處理期間，公司抽派14人成立焊接質(zhì)檢組，以加強(qiáng)焊接管理。焊接質(zhì)檢員實(shí)行全過程、全方位旁站，做到每個(gè)施焊部位都有公司質(zhì)檢員旁站，每道焊接關(guān)鍵工序結(jié)束就有公司質(zhì)檢員驗(yàn)收，每個(gè)工序驗(yàn)證結(jié)束就會(huì)在《焊接質(zhì)量控制簽證單》上簽證。

5 結(jié)語

（1）T23水冷壁管現(xiàn)場(chǎng)焊接后未及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理或后熱處理，或未按要求處理到位，以致在焊接接頭處存在較大的殘余應(yīng)力和未及時(shí)消氫是焊縫產(chǎn)生裂紋的主要原因。

（2）在水冷壁管屏上開設(shè)應(yīng)力釋放槽，對(duì)鍋爐初期運(yùn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放有益處，裂紋出現(xiàn)的概率會(huì)有所降低。

（3）現(xiàn)場(chǎng)焊接條件下，采用火焰加熱方式進(jìn)行后熱處理，能去除焊接熱應(yīng)力，使對(duì)接焊縫得到良好沖擊韌性，可減少裂紋的產(chǎn)生。

（4）嚴(yán)控焊接工藝和焊接過程質(zhì)檢是確保新焊縫不再產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵。5號(hào)鍋爐已連續(xù)運(yùn)行了201天，未發(fā)生水冷壁泄漏現(xiàn)象，目前仍在穩(wěn)定運(yùn)行中。

［1］楊超．江蘇常熟發(fā)電有限公司＃5爐水冷壁管泄漏分析報(bào)告［M］．江蘇方天電力技術(shù)有限公司，2013：4－16．

［2］楊富，章應(yīng)霖，任永寧，等．新型耐熱鋼焊接［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［3］國家能源局．DL／T 819—2010火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程［M］．北京：中國電力出版社，2012．