超高壓鍋爐高溫過熱器出口集箱管座角焊縫泄漏原因分析

王洪選 許洪莉

摘 要：本文針對超高壓鍋爐高溫過熱器出口集箱裂紋問題，開展了現場無損檢測和開裂試樣試驗研究，確定開裂原因為受熱面管路設計不合理，并進行了結構優化措施。實施結果表明，優化效果明顯，該措施能有降低再次開裂的風險，保證了機組的安全可靠運行。

關鍵詞：超高壓鍋爐；管座角焊縫；泄漏；原因分析；結構優化

某熱電公司鍋爐為WGZ670/13.7-13型超高壓鍋爐，2015年12月發現高溫過熱器出口集箱多個管座角焊縫管材側熱影響存在裂紋缺陷，機組從2005年7月25日投產，至本次停機累計運行80575小時，共啟動80次（停運79次），經歷4次大修和13次小修。高溫過熱器出口集箱規格Φ325mm×50mm，管座規格Φ42.5mm×5.5mm，材質均為12Cr1MoVG。本文分析了集箱管接頭裂紋產生原因，為制定科學合理的返修工藝提供依據，確保鍋爐集箱安全、可靠地運行奠定了基礎。

1 檢查情況

1.1 現場檢查情況

現場磁粉探傷共發現有35個角焊縫管材側熱影響區存在裂紋缺陷（其中有30個裂紋為爐后數第4根角焊縫部位），開裂部位有明顯方向特征，即爐左側管排裂紋位于焊縫的爐左側、爐右側管排裂紋位于焊縫的爐右側（見圖1）。

裂紋均位于角焊縫管座一側焊縫熱影響區，整體來看裂紋較為平直，宏觀無分叉，沿管材側熱影響區周向擴展，長短不一（約10mm～50mm）。

1.2 試驗室宏觀檢查情況

試驗室對含有裂紋典型試樣（爐右數第4屏爐后數第4根）進行宏觀檢查，發現裂紋已經穿透管壁，管子外壁裂紋長度明顯大于內壁，表明裂紋是從管子外壁起裂，見圖2。

1.3 材質復核

采用合金分析儀對開裂試樣進行合金成份檢測，所檢測元素成分符合標準要求，見表1。

1.4 金相檢測

試樣主裂紋開口較大，頭部無分叉，裂紋內部有氧化腐蝕產物，見圖3a。侵蝕后，主裂紋沿細晶區和不完全結晶區的過渡區穿晶擴展，見圖3b。在裂紋擴展區，主裂紋兩側存在大量的蠕變孔洞和蠕變裂紋。其中，蠕變孔洞呈橢圓形均位于三叉晶界，斷續鏈狀分布；蠕變裂紋均為沿晶擴展，且蠕變裂紋大致與主裂紋平行，見圖4。試樣母材金相組織為鐵素體+貝氏體，按DL/T773-2001《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》球化2.5級，見圖5。

2 開裂原因分析

從高溫過集箱的結構來看，集箱角焊縫向下約2.5米為爐頂密封焊接處，屬結構上的相對死點。按設計，高溫過熱器出口集箱從鍋爐中心向左、右兩側膨脹，因高溫過熱器出口集箱溫度（540℃）明顯高于頂棚過熱器，故高溫過熱器出口集箱向鍋爐兩側的膨脹量明顯大于頂棚過熱器。

頂棚至高過出口集箱之間高過管除爐后數第4根，都至少設計有2個彎頭，而第4根僅有1個彎頭，其剛度明顯較強。所以，從結構角度來看，爐后數第4根管存在較大熱膨脹應力，集箱管座角焊縫部位由于結構上特點成為明顯的應力集中區，故集箱管座角焊縫處應力水平明顯較高。

現場磁粉探傷檢測發現，30個爐后數第4根管座角焊縫處存在裂紋缺陷，裂紋長度10mm～50mm不等。整體來看，爐右側開裂情況比爐左側嚴重。從裂紋在管子上的分布情況來看，爐左側管排裂紋位于焊縫爐左側、爐右側管排裂紋位于焊縫爐右側，開裂部位均位于管段拉應力最大的區域，與管段應力分布相吻合。

開裂試樣焊縫和母材主要金屬元素符合標準要求，金相組織正常。裂紋位于熱影響區細晶區和不完全結晶區過渡區域，裂紋穿晶擴展，無分叉，裂紋內部及尖端存在氧化腐蝕產物。一般來說對于焊縫熱影響區，細晶區的抗蠕變性相對較差，與主裂紋附近發現的大量蠕變孔洞和蠕變裂紋相吻合。

綜合以上分析，造成高溫過熱器出口集箱管座角焊縫發生開裂的原因是：在結構應力、內壓應力及溫度長期作用下，從拉應力水平較高的部位逐漸產生蠕變孔洞，并發展為蠕變裂紋，蠕變裂紋逐步擴展，最終管壁裂透而發生泄漏。

3 處理方案

根據開裂原因，對高溫過熱器進口集箱同結構管座角焊縫進行了磁粉探傷檢測，未發現裂紋類缺陷，與高溫過熱器進口集箱溫度相對較低，熱膨脹量小有關。同時，結合鍋爐設計單位對高溫過熱器進、出口集箱外數第4根管進行了管路優化，從而達到增大管子柔性，降低角焊縫區域應力水平的目的，修改前、后的管路結構見圖6中箭頭所示。

4 結論

本文綜合高溫過熱器出口集箱管座焊接接頭裂紋現場檢測和開裂試樣試驗研究，結果表明，出現裂紋的位置均處于集箱的應力區，主裂紋均產生在熔合線附近的細晶區，裂紋尖端圓鈍，穿晶擴展，具有應力開裂特征，同時主裂紋附近也發現蠕變空洞及蠕變裂紋，但綜合來看，管路設計不合理是導致本次開裂的主要原因。通過對管路進行優化，對防止集箱管接頭裂紋的產生，確保電廠設備的安全可靠運行提供了有力保證。

參考文獻：

[1] 趙建倉，姚建華，等.超超臨界鍋爐12Cr1MoVG集箱角接頭再熱裂紋原因分析及焊接工藝優化[J].發電設備，2011（7）.

[2] 馬東森.2209t/h鍋爐屏式過熱器出口聯箱管接頭裂縫分析及處理[J].熱力發電，2008（10）.

作者簡介：王洪選（1966-），男，漢族，河南登封人，大專，高級技師、助理工程師，研究方向：火力發電廠金屬監督和焊接技術管理。