1000t／h鍋爐末級再熱器出口集箱管座角焊縫產生裂紋的原因與措施

唐 彬，湯亞杰

（上海電力股份有限公司吳涇熱電廠，上海 200241）

1 集箱管座角焊縫發生裂紋分析

1.1 末級再熱器集箱和管座角焊縫狀況

吳涇熱電廠12號爐為Π型300MW亞臨界一次再熱控制循環鍋爐，1992年投產。末級再熱器工作溫度為541℃，工作壓力為3.86MPa，集箱規格為φ508mm×40mm，管座規格為φ51mm×4mm，材質為12Cr1MoV，管座焊接接頭型式為承插式。2011年12月，在12號爐大修時發現末級再熱器出口集箱管座角焊縫熱影響區發生裂紋，裂紋處于管座上部，長度為20mm，裂紋宏觀形貌及管座焊接接頭型式如圖1所示。

圖1 裂紋形貌及管座焊接接頭型式

1.2 12Cr1MoV鋼材焊接性能

12Cr1MoV鋼材焊接性能良好，焊接工藝比較成熟，廣泛應用于低于580℃的燃煤鍋爐的再熱器管、過熱器管、集箱及蒸汽導管等設備。鋼材中鉻（Cr）、鉬（Mo）元素的固溶強化，釩（V）與碳（C）形成的碳化物彌散強化，使得12Cr1MoV鋼材具有穩定的組織結構和較高的持久強度。

12Cr1MoV鋼材長期處于高溫條件下運行時，會發生滲碳體球化和固溶體中合金元素的貧化現象，導致其熱強性降低。在疊加應力和沖擊載荷的共同作用下，使焊接接頭中處于相對薄弱的熱影響區的粗晶區，有可能產生沿晶界的脆性斷裂。

1.3 承插式焊接接頭分析

采用承插式焊接工藝，焊接接頭處存在三大隱患。首先，由于承插式焊接接頭型式的客觀條件存在，無論采取何種焊接方法和工藝，末級再熱器出口集箱管座根部整圈根本無法焊透。雖然射線及超聲波探傷檢測難度較高，但是結合管道鏡或內窺鏡檢查，可以明顯地檢查出根部缺陷。集箱制造廠家曾試圖通過使用機械手自動焊接等方法來解決這一問題，卻由于管座組拼接的間隙和角度等諸多不確定因素的影響，結果均收效甚微。其次，集箱管座焊接時，不可避免地會出現咬邊等缺陷，焊趾處的管子壁厚明顯減薄（低于末級再熱器管子壁厚）。其次，由于角焊縫焊腳尺寸局部不符合要求，也會在焊趾處容易引起應力集中。同時，末級再熱器出口集箱管座角焊縫在運行狀態下的應力分布比較復雜。以上因素綜合在一起，致使管座角焊縫熱影響區的應力水平明顯提高，直至開裂。其三，承插式焊接接頭由于不是全焊透焊接接頭，焊縫強度低，不能滿足末級再熱器出口集箱管座所處工況條件下的應力水平要求。在經過長期高溫工況下運行后，末級再熱器出口集箱管座角焊縫的高溫性能也隨之急劇下降。

圖2 全焊透接頭型式

依據DL／T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》要求，汽水、儀表取樣等接管座的焊接接頭，必須采用如圖2所示的全焊透接頭型式。

DL／T 869—2012規程要求，溫度大于或等于450℃的管道根部焊道，必須采用鎢極氬弧焊（GTAW），其他焊道則可采用GTAW或焊條電弧焊（SMAW）的焊接方法和工藝。顯然，承插式焊接接頭型式不滿足DL／T 869—2012規程要求的焊接工藝。兩種焊接接頭型式的對比，見表1。

表1 承插式與全焊透接頭比較

通過對裂紋產生原因及焊接裝配形式的綜合分析，認為不合理的焊接接頭型式、較大的拘束應力和長期高溫運行后金屬熱強性降低，是導致裂紋產生的主要原因。為了徹底消除設備隱患，決定將承插式焊接接頭改為全焊透焊接接頭，同時采用加強型管座，用以進一步提高焊接接頭強度。

2 修復方案

2.1 消除裂紋工藝

1）去除原來插入集箱的管子，打磨并去除殘余焊縫及熱影響區。

2）做滲透探傷（PT），要求無裂紋等缺陷。

3）焊前預熱溫度為150～200℃，采用GTAW進行集箱開孔處堆焊，焊絲型號為TIG－R31，直徑為2.5mm。

圖3 集箱堆焊及組對

4）焊后緩冷，避免堆焊處冷卻速度過快。

5）打磨堆焊焊縫，使之與集箱表面及開孔處齊平，如圖3所示。

6）做滲透探傷檢測，要求無裂紋等缺陷。

2.2 集箱與加強管角對接焊接工藝

1）采用GTAW＋SMAW，實施多層多道焊接工藝。

2）焊絲型號為TIG－R31，直徑為2.5mm；焊條型號為R317，直徑為3.2mm；氬氣純度為99.99%。

3）裝配焊口時，錯口處小于或等于1mm。

4）預熱溫度為150～200℃。

5）層間溫度要小于或等于300℃。

6）后熱處理溫度為350℃，恒溫時間為0.5h，進行緩冷處理。

7）做焊后磁粉探傷（MT），要求無表面及近表面缺陷。

8）做焊縫及熱影響區硬度檢測，要求下限高于兩側任一母材，上限小于241HB（布氏硬度）。

2.3 焊接操作要點

1）打底層厚度要大于或等于3mm。

2）點焊處長度控制在15～20mm。

3）采用多層多道焊工藝，控制好每層焊道的寬度及厚度。

4）避免電弧傷及母材，焊腳尺寸及高度要適中，焊縫與母材過渡圓滑，無咬邊、焊瘤等焊接缺陷。

5）焊接中的熱過程可采用遠紅外測溫儀或熱電偶來控制。

3 結語

12號鍋爐從2011年12月大修后運行至今，末級再熱器出口集箱管座角焊縫歷經多次磁粉探傷和硬度檢測，均未發現裂紋等超標缺陷。實踐證實了對集箱管座焊接接頭型式的改進，是正確的。通過改進接頭型式，提高了焊接接頭的強度和高溫力學性能，杜絕了超標焊接缺陷存在的可能性，提高了鍋爐設備運行的可靠性。