循環硫化床鍋爐過熱屏管爆裂原因分析及對策

陳國華

(上海今電實業有限公司，上海 200540)

循環硫化床鍋爐過熱屏管爆裂原因分析及對策

陳國華

(上海今電實業有限公司，上海 200540)

對過熱屏管爆裂的原因進行分析，發現過熱屏管蒸汽泄漏的主要原因是由于焊接過程中在焊縫、熔合區和熱影響區產生焊接熱裂紋。通過對過熱屏管更換過程的焊接工藝質量控制的探討和分析，指出在檢修焊接工作中應加強對焊接工藝過程的管控，采取各種有效的手段預防焊接裂紋的產生，達到控制過熱屏管與鰭片焊接工藝質量的目的。

鍋爐 過熱屏 爆管 分析 對策

某企業循環硫化床(CFB)鍋爐的型號為SG-620/9.81-M450，2007年12月投產，主蒸汽壓力為9.81 MPa,主蒸汽溫度為540 ℃，為屏式過熱器。2016年對鍋爐進行檢修時，將部分過熱屏管更換并重新進行鰭片與過熱屏管的焊接，運行1個月后，有4處局部過熱屏管發生爆裂。經過對過熱屏材料的化學成分分析、爆管部位的宏觀形貌、過熱屏泄漏處部位的材料金相以及掃描電子顯微鏡(SEM)分析，找出造成本次過熱屏管蒸汽泄漏的主要原因，對23根損壞過熱屏管及其鰭片進行更換，并對焊接質量進行控制。

1 過熱屏管爆裂情況

2016年11月2日，發現6號爐爐膛壓力上升，6號爐給水流量與主蒸汽流量相差100 t/h，檢查發現6號爐引風機甲、乙變頻器已開足，6號爐引風機跳，導致6號爐爐膛壓力啟動保護動作。停爐后檢查發現乙側第1、2屏過熱器管泄漏，共有23根過熱器管損壞需更換。

經了解，一個月前曾對CFB鍋爐過熱屏進行檢修，更換了部分過熱屏管，并對鰭片與過熱屏管重新進行了焊接。根據過熱屏管爆管現場的情況(見圖1)，發現共有4處局部過熱屏管發生爆管，最先發生蒸汽泄漏的管是位于乙側第一屏爐前第一根過熱管上(第1處)，其中第2～4處是由于第1處產生泄漏后，管內介質蒸汽對其余3處依次進行吹損，使管外壁厚局部減薄而引起的爆管。

對4處的過熱屏取樣進行宏觀及理化分析，發現第2～4處過熱屏管爆管處外壁存在明顯的被蒸汽吹掃受損減薄的情況，且內壁光滑呈圓弧形，保留完整。因此，可以確認最初發生泄漏的是乙側第一屏爐前第一根過熱管。

1-最初的爆管區域；2、3、4-過熱蒸汽吹損區域

CFB鍋爐過熱屏管內介質為蒸汽，操作壓力10.5 MPa，操作溫度350～390 ℃，管子材料為15CrMo。在檢修后進行水壓試驗，當時水壓試驗壓力為11.5 MPa，未發現過熱屏泄漏情況，但運行不久就發生爆管現象。為了確定過熱屏管失效原因，對割除后的舊過熱屏管進行宏觀及理化分析，以防止類似情況再次發生。

2 過熱屏管爆裂原因分析

2.1過熱屏材料化學成分分析

為了確認現場過熱屏管材料是否與原設計相符，對此次爆管的過熱屏管材料進行化學成分分析，結果見表1所示。

表1 過熱屏管材料化學成分質量分數分析 %

根據表1測試比對結果可知：現場過熱屏管子材料與原設計相符，材料牌號為15CrMo，屬于低合金鋼。此材料的冷加工及焊接性良好，焊后須進行局部去應力退火，壁厚者焊前應預熱至200～300 ℃。

2.2最初泄漏過熱屏管子爆管部位的宏觀形貌分析

最初原始泄漏部位呈線狀缺陷分布，處于緊靠鰭片與管子的焊接區，且位于管子母材處，周圍鰭片及焊縫受蒸汽泄漏吹掃形成明顯具有方向性的沖刷流花狀。從外壁情況可以看到，最初原始泄漏部位管子與鰭片表面不平整。根據上文分析，最初發生泄漏的部位為第1處，即最初泄漏原發管是乙側第一屏爐前第一根過熱管。

從內壁情況可以看出，泄漏處為裂紋性缺陷，內壁周圍表面光滑。值得注意的是緊靠泄漏缺陷處內壁還發現了未穿透的裂紋，裂紋方向與泄漏裂紋方向一致，具有相同的性質，未穿透的裂紋在焊縫區、熔合區及熱影響區。從裂紋擴展方向分析可以判斷是由熔合線焊縫側向母材側擴展，由于焊接加熱過程中，熔合線和熱影響區晶界部分熔化有可能引起裂紋產生。因此該裂紋的性質到底是焊接加熱引起的熱裂紋，還是由于管子母材本身的原因造成需進一步分析加以判斷。

2.3過熱屏泄漏處部位的材料金相分析

2.3.1 泄漏部位的材料金相組織

過熱屏管子母材的金相組織為鐵素體+珠光體，由于局部受熱的影響，片狀珠光體已逐漸向粒狀珠光體變化。

2.3.2 焊縫、熔合線、熱影響區以及母材裂紋金相分析

從緊鄰泄漏點處的焊縫、熔合線、熱影響區以及母材處的裂紋形貌中可以看出該裂紋主要以沿晶擴展為主，在焊縫中呈星狀裂紋特征，裂紋與母材內壁貫穿。裂紋兩側呈典型的氧化特征，說明該裂紋是在焊接加熱過程中產生的，因此可以判斷該裂紋屬于焊接熱裂紋。

2.4SEM分析

為了進一步確認該裂紋的性質，對該裂紋進行SEM分析，發現裂紋兩側被氧化物氧化的特征。另外裂紋中還有較多雜質，這是由于裂紋表面在高溫下與外界空氣接觸發生氧化反應形成的，從而進一步確認該裂紋是焊接加熱過程中產生焊接熱裂紋引起的。

3 熱裂紋的形成機理、產生的原因及預防與控制

3.1熱裂紋的形成機理

在焊接熱循環峰值溫度的作用下，焊接接頭的熱影響區和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔點共晶物而被重新熔化，在收縮應力的作用下，沿奧氏體晶間開裂。如果母材及焊接材料中硫、磷、碳、硅的質量分數偏高時，低熔點共晶物增多，高溫液化裂紋傾向顯著增加。

3.2熱裂紋產生的原因

熔池結晶時所受的拉應力是焊接產生熱裂紋的必要條件。拉應力的大小主要取決于結構的形式、接頭的剛性、熔池冷卻速度和焊接順序，而熔池內含有熔點溫度比較低的共晶雜質是產生熱裂紋的內在因素。因此，熱裂紋可以看成是拉應力和低熔點共晶兩者聯合作用而形成的，增大任何一方面的作用，都有可能促使焊縫中熱裂紋的形成。

3.3熱裂紋的預防與控制

焊前預熱減慢焊縫冷卻速度，減小焊接應力是防止熱裂紋的有效措施；控制焊縫中有害雜質的含量以及適當提高焊縫形狀系數也可減小產生熱裂紋的傾向。

4 損壞過熱屏管的更換及焊接工藝控制

為確保此次23根損壞過熱屏管及其鰭片的更換及焊接質量控制，依據火力發電廠焊接技術規程DL/T 869—2012，首先須解決熱裂紋產生可能性的控制；同時，根據再熱裂紋敏感性公式，通過對15CrMo鋼材料合金元素進行計算，再熱裂紋敏感因子≥0，說明該材料對再熱裂紋比較敏感。因此本次過熱屏管及其鰭片的更換及焊接亦須考慮再熱裂紋產生可能性的控制，進而對整個過熱屏的焊接過程進行有效的工藝控制[1]。

4.1過熱屏管的焊接工藝控制

(1)過熱屏管焊接時必須采用GTAW的焊接方法，焊前須預熱，預熱溫度控制在150 ℃左右，且須兩人對稱焊接，焊后采取保溫緩冷。對于壁厚不大于10 mm或管徑小于108 mm的15CrMo鋼管，經焊前預熱且焊后保溫緩冷的焊接接頭可以不進行焊后熱處理。

(2)焊件組對時內壁(根部)需齊平，如有錯口不得大于1 mm[2]。

(3)焊接時不但要控制內在的焊接質量，同時也要控制好焊縫的外觀，達到焊縫寬窄一致，成型美觀，余高控制在2 mm以內。

(4)要求對過熱屏管的46道對接焊口進行100%的射線檢測，并對母材、焊縫及熱影響區進行硬度檢測。待檢測合格后再進行鰭片的焊接。

4.2鰭片的焊接工藝控制

(1)鰭片焊縫為非受壓件焊縫，在原來的檢修工作中沒有得到足夠的重視，進行焊接更換時采用焊條電弧焊的焊接方法,較易產生飛濺、弧焊疤痕，且難以控制夾渣、氣孔和裂紋等缺陷的產生。故此次鰭片焊接時采用鎢級氬弧焊的焊接方法。

(2)要求鰭片焊接區打磨露出金屬光澤，有利于控制S、P等雜質；強調鰭片鑲嵌的適配性，以利于控制拘束應力的產生；采用合適的焊接線能量，以利于防止熱裂紋、再熱裂紋的產生。

(3)鰭片焊接時須焊前預熱，預熱溫度控制在150 ℃左右，且須兩人對稱焊接，焊后采取保溫緩冷。

(4)減少焊接接頭處的應力集中。焊接結束后用砂輪將焊縫的加強高和焊趾部位仔細打磨修飾，與母材呈圓滑過渡，消除母材、焊縫及熱影響區存在的各種弧疤，減少應力集中。所涉的鰭片焊縫進行全面滲透檢測及硬度檢測。

5 結論

(1)造成本次過熱屏管蒸汽泄漏的主要原因是焊接過程中在焊縫、熔合區和熱影響區產生焊接熱裂紋。在進行水壓試驗和投運后不久引起該裂紋擴展直至穿透，從而導致蒸汽泄漏，引發次生爆管。

(2)在鍋爐檢修焊接時，通過分析產生熱裂紋等各種裂紋的可能性，加強對焊接工藝過程的管控，嚴格控制過熱屏管與鰭片焊接工藝質量。

(3)從投運的情況來看，取得明顯的效果，在今后的檢修焊接工作中，應采取各種有效的手段預防焊接裂紋的產生。

[1] 上海市焊接協會編.現代焊接生產手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2007：10-11.

[2] 國家能源局.火力發電廠焊接技術規程[M].北京：中國電力出版社，2012：10-15.

CauseAnalysisofCrackingofSuperheatedPanelTubeinCirculatingFluidizedBedBoilerandtheCountermeasures

Chen Guohua

(ShanghaiJindianIndustrialCo.,Ltd.,Shanghai200540)

Based on analysis,it is found that the main cause for the cracking and steam leakage of the superheated panel tube is the welding hot cracks generated in the weld,fusion and heat affected zones during the welding process.Through discussion and analysis of the welding process quality control in the process of changing superheated panel tube,it is pointed out that the welding process should be strengthened and the effective control measures should be taken to prevent the welding cracks so as to control the welding quality of superheated panel tube and fins.

boiler,superheated panel,tube burst,analysis,countermeasure

1674-1099 (2017)05-0055-03

TE986

A

2017 - 06 - 22。

陳國華，男，1969年出生，1994年畢業于上海電視大學，焊接高級技師，從事設備檢修及焊接管理工作。