超超臨界二次再熱鍋爐水冷壁現(xiàn)場焊接研究

蔣德勇，潘建強

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

超超臨界二次再熱鍋爐水冷壁現(xiàn)場焊接研究

蔣德勇1，潘建強2

（1.國電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327；2.華電江蘇能源有限公司句容發(fā)電廠，江蘇 鎮(zhèn)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(xiàn)場焊接及熱處理過程中出現(xiàn)的問題，并通過現(xiàn)場試驗以及實驗室檢測的方式對出現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)某二次再熱機組，鍋爐出口主蒸汽參數(shù)為 33.03 MPa，603 ℃，給水溫度315 ℃，均較高。主蒸汽參數(shù)及省煤器入口給水溫度的提高帶來了水冷壁管子規(guī)格及鰭片材質(zhì)的變化。進行大批量水冷壁焊口現(xiàn)場熱處理工作在電力建設(shè)中尚屬首次，且由于管子材質(zhì)、規(guī)格的變化，使現(xiàn)場焊接出現(xiàn)許多新問題，如裂紋等，給機組安全運行帶來隱患。

1　設(shè)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(guī)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(xiàn)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(chǎn)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(yīng)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(fā)現(xiàn)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(chǎn)生位置：接近焊縫中心、焊縫熔合線的附近；

（3） 產(chǎn)生部位：焊接收弧處、魚尾交叉處、正常運條焊縫處；

（4） 發(fā)現(xiàn)時機：焊接后目視、后熱后目視、磁粉探傷、消缺后復(fù)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(xiàn)場立即進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)施工人員未按制造廠要求進行焊接及熱處理。因此結(jié)合實際情況，對作業(yè)人員提出了4點要求：

（1） 現(xiàn)場風(fēng)力較大，做好防風(fēng)措施；

（2） 合金鋼材質(zhì)焊前必須預(yù)熱（火焰加熱），溫度為150 ℃左右；

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

（4） 焊后及時后熱300 ℃后用保溫棉覆蓋緩冷。

然而在執(zhí)行以上相關(guān)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(dǎo)至板材；取消魚尾并延長應(yīng)力槽；改變焊道布置（單道焊改為多道焊）；預(yù)熱和后熱處理等。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)：

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

（2） 當密封槽間隙大于2 mm時，如果采用單道焊產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險將加大；

（3） 預(yù)熱和后熱處理措施能夠有效控制裂紋的產(chǎn)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(qū)很容易產(chǎn)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(chǎn)生很大的焊接內(nèi)應(yīng)力，對塑韌性變形的抗力減小，也容易引起應(yīng)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(yīng)力也就越小，常常導(dǎo)致焊縫金屬或接頭熱影響區(qū)開裂。結(jié)合試驗結(jié)果，判斷裂紋產(chǎn)生的根本原因是焊縫的拘束應(yīng)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(xiàn)場嘗試使用R317焊條替代R407焊條再次進行了試驗，發(fā)現(xiàn)裂紋數(shù)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(jié)果表明：更換焊條后在不預(yù)熱的情況下，裂紋明顯減少；采取焊前預(yù)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(chǎn)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(yù)熱，預(yù)熱溫度200-300 ℃，預(yù)熱寬度每側(cè)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(fā)現(xiàn)部分對接接頭產(chǎn)生裂紋（見圖3），裂紋呈現(xiàn)以下幾個特點：

（1） 裂紋產(chǎn)生于熱處理后；

（2） 產(chǎn)生裂紋的管子位于管屏外側(cè)第1根或第2根管子；

（3） 大部分裂紋產(chǎn)生于管子的側(cè)面（3點鐘或9點鐘位置）熔合線處，個別裂紋啟裂于三通側(cè)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(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)其主要成分為Cr和Mn的碳化物，裂紋內(nèi)部氧化物同時存在FeO和Fe3O4成分，說明裂紋產(chǎn)生在熱處理階段的高溫區(qū)。

焊接母材為珠光體組織，力學(xué)性能符合標準要求，水冷壁鰭片、直管段化學(xué)成分含量在標準要求范圍內(nèi)。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(xié)會）標準E837-81《用鉆孔應(yīng)變測量決定殘余應(yīng)力的標準方法》對初始試樣的焊接接頭熱影響區(qū)，以及水冷壁管母材、三通母材進行小孔法殘余應(yīng)力測試，發(fā)現(xiàn)母材及近熱影響區(qū)附近區(qū)域的殘余應(yīng)力高達155 MPa。

12Cr1MoVG具有較強的再熱裂紋敏感性，其敏感溫度區(qū)間為550-700 ℃，當殘余應(yīng)力釋放過程中，接頭應(yīng)力集中處所產(chǎn)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(chǎn)生再熱裂紋。綜合各項檢驗結(jié)果及現(xiàn)場情況，認為裂紋是結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力以及熱膨脹應(yīng)力共同作用的結(jié)果，其中結(jié)構(gòu)應(yīng)力是主導(dǎo)因素。

基于試驗分析結(jié)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(yīng)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(yīng)力集中致使某些焊口水冷壁管排出現(xiàn)拘束應(yīng)力過大的問題，所有應(yīng)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(fēng)率以及環(huán)境衛(wèi)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(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，壁厚超過8 mm的12Cr1MoVG管焊接后必須進行熱處理。制造廠內(nèi)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(xiàn)場不具備可操作性，經(jīng)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(nèi)完成焊后熱處理工作。

（2） 采用串聯(lián)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(nèi)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(shù)參照制造廠提供的曲線執(zhí)行，具體處理參數(shù)如表2所示。

表2　焊后熱處理工藝參數(shù)

（5） 現(xiàn)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(xiàn)場缺乏水冷壁熱處理的相關(guān)經(jīng)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(xiàn)場實測管屏最外側(cè)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(chǎn)生的膨脹量較大，而管屏外側(cè)管的膨脹量較小，這對管屏外側(cè)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)的包角裂紋

4　結(jié)束語

水冷壁拘束應(yīng)力的存在對現(xiàn)場焊接良好是關(guān)鍵的制約因素，超超臨界二次再熱鍋爐參數(shù)提高后，鰭片材質(zhì)及規(guī)格的調(diào)整以及現(xiàn)場經(jīng)驗不足是造成鰭片裂紋的主要原因。

12Cr1MoVG性能較好，現(xiàn)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(chǎn)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(diào)整焊接及焊后熱處理工藝，避免了焊接裂紋的產(chǎn)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(xué)技術(shù)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(shù)，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(shè)備管理工作。