超超臨界二次再熱鍋爐水冷壁現場焊接研究

蔣德勇，潘建強

（1.國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 鎮江 212400）

超超臨界二次再熱鍋爐水冷壁現場焊接研究

蔣德勇1，潘建強2

（1.國電泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.華電江蘇能源有限公司句容發電廠，江蘇 鎮江 212400）

介紹了某機組鍋爐水冷壁的概況，分析了機組水冷壁現場焊接及熱處理過程中出現的問題，并通過現場試驗以及實驗室檢測的方式對出現的問題進行了分析，找到了有效的解決辦法，避免了焊接裂紋的產生，降低了機組運行的安全隱患。

超超臨界鍋爐；二次再熱；水冷壁；焊接；裂紋

0　引言

國內某二次再熱機組，鍋爐出口主蒸汽參數為 33.03 MPa，603 ℃，給水溫度315 ℃，均較高。主蒸汽參數及省煤器入口給水溫度的提高帶來了水冷壁管子規格及鰭片材質的變化。進行大批量水冷壁焊口現場熱處理工作在電力建設中尚屬首次，且由于管子材質、規格的變化，使現場焊接出現許多新問題，如裂紋等，給機組安全運行帶來隱患。

1　設備概況

該鍋爐水冷壁采用螺旋管圈和垂直管圈組合的型式，管子材料均為12Cr1MoVG，鰭片材料除垂直段上部采用SA 387-Cr22CL1外，其余全部為12Cr1MoV，具體見表1。

表1　水冷壁材料、規格

螺旋段由716根管子組成，垂直段分上、下2部分，其中上部由716根管子組成，下部由1 432根管子組成。現場焊口包括管子對口、管排拼縫、鰭片與管子、管子與三通或多通鍛件焊接、填塊焊接等。

2　焊接裂紋問題分析

2.1扁鋼、填塊焊接

2.1.1裂紋產生情況

水冷壁垂直段上部鰭片及填塊材料分別為SA 387-Cr22CL1和SA 182-F22，而SA 182-F22在水冷壁中應用較少。一直以來，SA 387-Cr22CL1鰭片配用R407焊條。由于電建單位對SA 182-F22材料認識不足，仍使用R407焊條對其進行焊接施工。隨后的無損檢測發現左墻水冷壁152塊嵌塊中存在43條焊接裂紋，每屏22條左右的密封槽焊縫中，約有8-12條裂紋，如圖1和圖2所示，裂紋特征如下：

（1） 形貌：縱向、橫向；

（2） 產生位置：接近焊縫中心、焊縫熔合線的附近；

（3） 產生部位：焊接收弧處、魚尾交叉處、正常運條焊縫處；

（4） 發現時機：焊接后目視、后熱后目視、磁粉探傷、消缺后復檢。

圖1　嵌板角焊縫縱向裂紋

圖2　嵌板角焊縫橫向裂紋

2.1.2初步改進措施

針對裂紋問題，現場立即進行了調查，發現施工人員未按制造廠要求進行焊接及熱處理。因此結合實際情況，對作業人員提出了4點要求：

（1） 現場風力較大，做好防風措施；

（2） 合金鋼材質焊前必須預熱（火焰加熱），溫度為150 ℃左右；

（3） 選擇合理的焊接參數、焊接順序和焊接速度，可分段、小電流焊接以減少應力集中；

（4） 焊后及時后熱300 ℃后用保溫棉覆蓋緩冷。

然而在執行以上相關措施后，并未能解決焊接裂紋問題。隨后組織人員進行了分析并進行了一系列的焊接改進試驗，包括：改變焊接順序、收弧位置引導至板材；取消魚尾并延長應力槽；改變焊道布置（單道焊改為多道焊）；預熱和后熱處理等。通過多次試驗發現：

（1） 改變焊接順序、收弧位置引導至板材或者取消魚尾并將應力槽延長均不能避免裂紋的產生；

（2） 當密封槽間隙大于2 mm時，如果采用單道焊產生裂紋的風險將加大；

（3） 預熱和后熱處理措施能夠有效控制裂紋的產生，但不能杜絕。

2.1.3裂紋成因分析及解決辦法

使用R407焊條焊接SA 182-F22嵌板角焊縫及對SA 387-Cr22CL1扁鋼拼接具有明顯的淬硬傾向，在焊縫和熱影響區很容易產生硬而脆的馬氏體組織。這不僅影響焊接接頭的機械性能，而且產生很大的焊接內應力，對塑韌性變形的抗力減小，也容易引起應力集中，造成強度降低。塑韌性越差，晶界開裂所需要的臨界應力也就越小，常常導致焊縫金屬或接頭熱影響區開裂。結合試驗結果，判斷裂紋產生的根本原因是焊縫的拘束應力。

由于R407焊條焊接性能較差，對焊工水平及工藝要求均較高，因此，現場嘗試使用R317焊條替代R407焊條再次進行了試驗，發現裂紋數量明顯減少。與R407焊條相比，R317焊條焊縫金屬的最大碳當量為0.77，而R407焊縫金屬碳當量為1.01，所以R317焊條的可焊性較好。同時R317焊條中含有V元素，焊接過程中形成V的碳化物，可以起到細化晶粒，提高抗裂性的作用。

試驗結果表明：更換焊條后在不預熱的情況下，裂紋明顯減少；采取焊前預熱及焊后消氫的措施后，嵌板角焊縫及扁鋼拼接焊縫裂紋得以徹底消除。

2.2管子對口焊接

2.2.1裂紋產生情況

水冷壁管的對口焊接包括管子與管子、管子與鍛件（三通、多通）2種類型，采用火焰加熱進行焊前預熱，預熱溫度200-300 ℃，預熱寬度每側不少于焊件厚度的3倍，且不小于100 mm。焊接熱處理完成后，發現部分對接接頭產生裂紋（見圖3），裂紋呈現以下幾個特點：

（1） 裂紋產生于熱處理后；

（2） 產生裂紋的管子位于管屏外側第1根或第2根管子；

（3） 大部分裂紋產生于管子的側面（3點鐘或9點鐘位置）熔合線處，個別裂紋啟裂于三通側熔合線，所有裂紋均沿熔合線周向擴展。

圖3　12Gr1MoVG管子焊口裂紋

2.2.2裂紋成因分析及解決辦法

金相分析顯示焊縫晶粒為具有一定位向粗大的索氏體組織，在晶界有大量的碳化物析出，經能譜分析發現其主要成分為Cr和Mn的碳化物，裂紋內部氧化物同時存在FeO和Fe3O4成分，說明裂紋產生在熱處理階段的高溫區。

焊接母材為珠光體組織，力學性能符合標準要求，水冷壁鰭片、直管段化學成分含量在標準要求范圍內。顯微硬度顯示部分焊接接頭的焊縫硬度值達290 MPa，超標準（小于等于270 MPa）上限。

在掃描電鏡下，可觀察到宏觀裂紋、微裂紋和孔洞3種不同的形貌，裂紋沿晶界擴展并伴隨微裂紋及孔洞，孔洞連接形成宏觀裂紋，裂紋形貌與再熱裂紋吻合。按照ASTM（American Society for Testing and Materials，美國材料與試驗協會）標準E837-81《用鉆孔應變測量決定殘余應力的標準方法》對初始試樣的焊接接頭熱影響區，以及水冷壁管母材、三通母材進行小孔法殘余應力測試，發現母材及近熱影響區附近區域的殘余應力高達155 MPa。

12Cr1MoVG具有較強的再熱裂紋敏感性，其敏感溫度區間為550-700 ℃，當殘余應力釋放過程中，接頭應力集中處所產生的塑性變形量εp大于該處材料的臨界塑性變形能力εc后，即產生再熱裂紋。綜合各項檢驗結果及現場情況，認為裂紋是結構應力、焊接殘余應力以及熱膨脹應力共同作用的結果，其中結構應力是主導因素。

基于試驗分析結果，通過在水冷壁T型及Y型三通處每隔4-6根管子開1條500 mm長的應力釋放槽，解決了水冷壁管的再熱裂紋問題。而且為避免鍋爐運行中應力集中致使某些焊口水冷壁管排出現拘束應力過大的問題，所有應力釋放槽保留至機組大修前并用圓鋼或者扁鋼密封以確保鍋爐漏風率以及環境衛生達標。

3　焊接后熱處理方案及問題分析

3.1實施方案

按DL/T869—2012《火力發電廠焊接技術規程》規定，壁厚超過8 mm的12Cr1MoVG管焊接后必須進行熱處理。制造廠內可采用電加熱爐進行熱處理，電加熱爐通過螺栓固定于管屏上，螺栓點焊在管屏扁鋼上，連接后將水冷壁管子包覆其中，熱處理完成后螺栓無需拆除。

然而該方案在現場不具備可操作性，經多次嘗試后采用簡單可行的履帶式電加熱帶進行熱處理，具體實施方案如下。

（1） 焊后24 h內完成焊后熱處理工作。

（2） 采用串聯法加熱，每組焊口中測溫點不得少于2點。管口間距較小的情況下使用較大加熱片整體覆蓋管排焊口上下表面，并用保溫棉加塞到有間隙的地方，確保密封空間內溫度流失程度最小。

（3） 焊口在熱處理過程中嚴禁加載或卸載。

（4） 熱處理主要工藝參數參照制造廠提供的曲線執行，具體處理參數如表2所示。

表2　焊后熱處理工藝參數

（5） 現場效果如圖4，5所示。

圖4　高空熱處理

圖5　地面熱處理

3.2安全隱患及解決辦法

由于現場缺乏水冷壁熱處理的相關經驗，熱處理不當造成了部分管排變形等問題。水冷壁管對接焊縫熱處理溫度為720-750 ℃，在現場實測管屏最外側溫度僅為620-640 ℃。熱處理加熱溫度不均造成溫度較高的中間部位產生的膨脹量較大，而管屏外側管的膨脹量較小，這對管屏外側管焊縫形成彎矩，造成管排變形或形成裂紋，因此需對整排焊口同時進行熱處理并適當增加加熱范圍。

由于SA 387-Cr22CL1再熱裂紋的敏感性，在熱處理后往往會出現鰭片包角焊縫裂紋（見圖6）。該部分裂紋直接延伸至管子并可以通過磁粉檢測發現，因此需要在熱處理后、填塊焊接前采用磁粉檢測的方式對包角焊縫進行檢查，確認沒有裂紋后才能進行水冷壁填塊的焊接。

圖6　熱處理后出現的包角裂紋

4　結束語

水冷壁拘束應力的存在對現場焊接良好是關鍵的制約因素，超超臨界二次再熱鍋爐參數提高后，鰭片材質及規格的調整以及現場經驗不足是造成鰭片裂紋的主要原因。

12Cr1MoVG性能較好，現場通過電加熱帶熱處理的方式可以達到滿意的防止變形和產生裂紋的效果，但對再熱裂紋敏感的材料需加強檢驗。

通過上述調整焊接及焊后熱處理工藝，避免了焊接裂紋的產生，降低了機組運行的安全隱患。

1 李俊林，楊興博，汪東明，等.鍋爐用鋼及其焊接［M］.哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1988.

2 朱志前，張建軍，鄒鵬舉，等.T23/12Cr1MoV焊接再熱裂紋分析［J］，鍋爐技術，2013，44（1）：53-55.

2015-09-24；

2016-03-25。

蔣德勇（1982-），男，工程師，主要從事燃煤鍋爐基建管理工作，email：jiangdy1982@126.com。

潘建強（1973-），男，技師，主要從事燃煤鍋爐設備管理工作。