循環流化床鍋爐汽包焊縫裂紋淺析與修復對策

李 偉

（中國石化茂名石化分公司熱電分部動力一車間，廣東茂名 525011）

0 引言

鍋爐汽包是火力發電設備中最重要的部件之一，由于其內部過程復雜，結構剛性大，工作壓力和溫度高，因而存在較大的內應力。機組啟停過程中各項參數快速變化，汽包溫度、壓力不斷變化，加上汽包自身質量、蓄熱能力大和存在各種接口，導致熱應力和機械應力更為復雜[1]。這些會使汽包產生裂紋，影響汽包的壽命，嚴重影響機組的安全運行。所以當汽包產生裂紋缺陷時，需制定嚴格的裂紋修復工藝方案，確保裂紋消除。

1 汽包缺陷狀況分析

1.1 汽包缺陷概況

動力廠煉油1#CFB（Circulating Fluidized Bed，循環流化床）鍋爐為美國福斯特惠勒（FW）公司制造，型號為FW-9.81/410-M004，設計負荷能力為410 t/h，設計壓力為12.4 MPa，設計溫度為328℃。汽包規格Φ1524 mm（內徑）×85.3 mm（壁厚）×11 582 mm（筒體長），汽包封頭允許最小壁厚71.3 mm，汽包材料為SA299。

2014年6月，對1#CFB鍋爐汽包進行內檢。經MT（Magnetic particle Testing，磁粉檢測）和 PT（Penetrant flaw Testing，滲透檢測）檢測，發現汽包南側封頭與筒體間的環焊縫處有2條裂紋。裂紋的位置在環焊縫靠近封頭側，一條長22 mm，另一條長14 mm。2條裂紋位置接近，沿焊縫呈縱性延伸。

1.2 裂紋缺陷形成的可能性

1.2.1 制造缺陷的可能性

由于是在檢修過程中對汽包內部檢驗時發現汽包裂紋的，而且位置處于汽包內部，正常運行時不能及時發現設備這一缺陷。同時，汽包用鋼為SA299中碳錳硅鋼，在焊接過程中有淬硬和冷裂傾向，因此該缺陷有可能是在汽包制造過程中產生的，在焊縫內部已形成了隱性裂紋。該鍋爐已連續運行5 a，在不斷的啟停爐以及負荷變化中，隱性裂紋擴展至表面。

在長期運行過程中，汽包裂紋部分材料中的碳化物球化，珠光體的區域形態消失，球狀的碳化物則聚集在鐵素體的晶界上成為部分鏈狀組織，導致鋼的蠕變強度和持久強度下降。由于運行工況變化和水位測量控制技術的局限，汽包水位可能在汽水界面波動，汽包表面交替出現冷熱變化，從而形成較大的交變熱應力，容易產生疲勞裂紋破壞并且在啟動過程中水位線處的熱應力最大，與水位線處熱應力變化趨勢基本一致[2]。在啟停爐過程中，水位自動控制解列，由操作人員手動控制，但在啟停鍋爐的過程中，由于床溫及汽水平衡的不穩定，汽包水位波動范圍較大，導致汽包的熱應力變化波動較大。從操作記錄可以查詢到，正常水位應控制在（-20～+20）mm，啟停爐時水位波動稍大，但水位的控制點依然是+15 mm左右。這也正好是裂紋的產生區域。

自投產以來，1#CFB鍋爐累計正常開爐10次，正常停爐6次，非計劃停爐3次。2014年5月28日14:30，由于煉油廠區晃電，造成1#CFB鍋爐跳停，并且電力系統未能在短時間內恢復，致使鍋爐未能及時恢復，導致汽包壓力、溫度急劇變化。15:30，送電以后重新快速啟動1#CFB鍋爐。20:30，由于廠區再次晃電，造成1#CFB鍋爐再次跳停，電力系統也未在短時間內恢復，致使鍋爐再次未能及時恢復，導致汽包壓力、溫度連續2次在短時間內出現劇烈變化。這2次事故導致汽包水位、壓力、溫度頻繁變化，汽包內應力相應出現頻繁變化。這極大可能使應力最大處即現有裂紋處產生裂紋缺陷[3]。

2 汽包裂紋修復對策

2.1 修復前期準備

（1）對所有可疑部位進行磁粉（MT）及超聲波（Ultrasonic Testing，UT）檢測，對存在裂紋部位進行定位，在裂紋附近用記號筆清洗標注。

（2）對存在裂紋處的母材進行厚度測定，做好記錄，并用記號筆標注與裂紋處進行厚度測定。

（3）對母材區域表面進行硬度測試，并記錄數值。

（4）對裂紋區進行消氫處理。采用電加熱帶對裂紋區進行包扎，覆蓋好保溫棉，進行350℃的恒溫2 h消氫處理。

2.2 缺陷清除步驟

（1）采用砂輪機對所有缺陷部位進行機械清理并打磨至與母材圓滑過渡。當焊縫裂紋打磨至5 mm深時，對焊縫表面進行著色后，發現上面較長裂紋仍然存在。

（2）進行表面PT和MT檢測，直至清除所有超標缺陷，并征得鍋爐特檢院部門的確認。當焊縫裂紋打磨至12 mm深，對焊縫表面進行著色后，裂紋消失。裂紋清除完畢后，依照裂紋凹槽的大小，自然的將凹槽修磨成U形坡口的形式，坡口周邊要圓滑過渡，坡口周圍100 mm范圍內清除所有可能存在的銹跡及產生氣體的附著物并露出金屬光澤。

2.3 缺陷清除處測厚

對缺陷清除處的周圍進行測厚，測厚點應包括封頭母材和熱影響區、焊縫、筒體母材和熱影響區。

(3)由于半參數估計模型能夠兼顧“參數”和“非參數” 2類因素，因此能得到較為準確的估計量，且采用半參模型的解算方法比傳統最小二乘法精度更高。

2.4 修復措施的確定

根據裂紋深度的不同確定是否需要補焊。依據測厚值，清除缺陷后的厚度小于所在位置圖紙要求的最小厚度時，為需要補焊處，用記號筆清晰標出；厚度大于圖紙要求時，無需進行補焊，但應將該處打磨至與汽包母材圓滑過度（坡度＜1∶4）。由原制造圖紙獲得汽包殼體最小壁厚值（85.32 mm）及封頭最

小壁厚值（71.3 mm），汽包殼體與封頭焊縫最小壁厚值（73.32 mm）（圖 1）。

從測厚的情況可以看出，將裂紋打磨至裂紋消失后，裂紋區的厚度只有63 mm，小于圖紙要求的最小厚度，因此需要補焊打磨的裂紋區。

2.5 焊前預熱

圖1 汽包筒體與封頭處壁厚尺寸

施焊前，為防止焊縫和母材溫差太大，對需要補焊的位置進行焊前預熱處理，預熱至（100～150）℃。根據現場施工環境，由于裂紋在汽包內部，不易放置電加熱帶，所以采用乙炔+氧氣火焰燃燒進行加熱，采用中性火焰、中號烤把緩慢加熱，有利于施工操作。并用測溫槍嚴密監測加熱溫度。

2.6 補焊處理

（1）根據修復措施，參照原制造廠提供的焊接工藝和焊接工藝說明書，編制汽包焊接修復工藝，焊接操作人員根據焊接修復工藝卡進行焊接。

（2）補焊后立即采用電加熱帶進行350℃恒溫2 h后熱處理，對焊縫進行消氫。

（3）后熱處理后對所有缺陷部位（包括前述2.4小節要求無需補焊的部位）進行表面（PT或MT）檢測，待所有修復部位合格后，將補焊部位打磨至與母材圓滑過渡。

2.7 焊后熱處理

（1）熱處理工藝參照原制造廠焊接工藝評定編制，熱處理操作人員按照熱處理工藝卡執行。

（2）對于殼體環縫處補焊部位，采取整圈包扎進行熱處理；加熱寬度≥140 mm，保溫寬度≥加熱寬度的1倍。

2.8 熱處理后的檢測

熱處理后，對所有原來存在缺陷的部位進行UT及表面PT檢測：UT按JB/T 4730.3—2005，Ⅰ級合格；PT按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級合格。UT檢測結果、PT檢測結果均為合格。

3 結束語

鍋爐在長期的啟停和變負荷運行過程中，汽包長期處于交變的熱應力狀態，使低周疲勞裂紋萌生成為可能。裂紋大多位于汽包中汽水分界面附近，操作上應嚴格操作規程，控制好汽包水位、上下壁溫差、汽包壓力，避免類似汽包裂紋情況出現。同時汽包SA299鋼的裂紋修復經焊接、熱處理結束后進行的UT及PT檢測結果表明，焊縫補焊區及熱影響區均未發現裂紋等缺陷，汽包經水壓試驗合格后開汽投用后運行正常，表明采用上述汽包裂紋修復工藝對策的方法是切實可行的。