T23鋼水冷壁焊縫泄漏原因分析和預(yù)防措施

上海電力建設(shè)有限責(zé)任公司 蔣林弟

T23鋼作為一種鍋爐受熱面材料，早期曾應(yīng)用于亞臨界機組或普通超臨界機組鍋爐過熱器與再熱器部件。隨著超超臨界機組的發(fā)展，鍋爐容量增大、參數(shù)提高，水冷壁作為機組向高參數(shù)過渡的關(guān)鍵部件之一，傳統(tǒng)的T12、T22管材無法滿足使用要求，若采用T91，一方面成本較高，另一方面焊后需要進行焊后熱處理。對于水冷壁這樣大而薄的平面形構(gòu)件，熱處理不僅難度大、而且易變形。而T23鋼的適用溫度和高溫蠕變強度介于T22與T91之間，其引入國內(nèi)應(yīng)用時，國外文獻(xiàn)資料曾報道T23鋼焊接可以不預(yù)熱，焊后不熱處理[1]，因此基于上述多方面原因，T23鋼在超超臨界鍋爐水冷壁上得到應(yīng)用。

但前期投產(chǎn)的多臺超超臨界百萬機組塔式鍋爐T23水冷壁焊縫泄漏情況時有發(fā)生，有的在投用初期即發(fā)生較多泄漏。本文針對T23水冷壁多次發(fā)生泄漏情況，從T23鋼材料性能、焊接工藝、水冷壁結(jié)構(gòu)特點、機組運行等方面分析探討產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)對策措施，為同類型鍋爐T23鋼水冷壁的焊接提供借鑒。

1 水冷壁泄漏情況概述

從前期投產(chǎn)的多臺超超臨界塔式鍋爐T23水冷壁發(fā)生泄漏的統(tǒng)計情況看，泄漏主要集中在鍋爐標(biāo)高40米到70米之間，大多位于拘束應(yīng)力較大區(qū)域的鍋爐配件安裝的位置，包括剛性梁、塞板、小嵌板與水冷壁之間的角焊縫、水冷壁管與鰭片角焊縫等，也有個別安裝焊口。其中剛性梁與管子角焊縫、鰭片與管子角焊縫引起的泄漏約占80%以上。泄漏點位置和形貌如圖1～4所示。

2 水冷壁泄漏原因分析

2.1 T23鋼焊接性

T23鋼是在T22鋼的基礎(chǔ)上進行改良，通過添加W、減少Mo及添加V、Nb、N、B等元素提高材料的高溫蠕變強度，同時降低含碳量，降低硫、磷等雜質(zhì)含量，改善其焊接性，由此獲得綜合性能良好的材料，國外資料報導(dǎo)T23可以不預(yù)熱、焊后不熱處理。但是隨著T23鋼應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，以及國內(nèi)對T23的焊接性及焊接接頭性能的深入研究，對T23鋼焊接性需要進一步的認(rèn)識。

T23鋼有一定的冷裂傾向，鍋爐廠斜y焊接性試驗結(jié)果表明，預(yù)熱溫度100℃時T23焊接裂紋率才為零，如焊接前預(yù)熱溫度不足，在結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力大的情況下有可能引起冷裂紋[2]；T23鋼具有非常明顯的再熱裂紋傾向，敏感溫度區(qū)間為580℃～750℃，最敏感溫度650℃，若機組在一定高溫下服役且結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力較大時，可能產(chǎn)生再熱裂紋[3]；T23在550℃時的時效傾向明顯[4]，需要其具有一定的韌度儲備，但T23焊縫及熱影響區(qū)在焊態(tài)下沖擊韌性偏低。焊接工藝評定試驗表明，T23焊后不熱處理時焊接接頭的抗拉強度、彎曲試驗合格，但焊縫及熱影響區(qū)的硬度值偏高、沖擊韌性偏低，而經(jīng)700℃～730℃×2h熱處理后，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性顯著提高。

2.2 焊接工藝的影響

焊接方法對T23鋼的焊縫韌性有極為明顯的影響，工藝評定試驗結(jié)果，氬弧焊的焊縫在焊態(tài)下，0℃時的韌度200J/cm2以上，焊條電弧焊的焊縫韌性比氬弧焊焊縫低，必須經(jīng)過焊后熱處理才能使其韌性達(dá)到較高的水平；T23鋼焊縫的沖擊韌性對焊接工藝參數(shù)很敏感，焊前預(yù)熱不到位、焊后沒有保溫緩冷措施、焊接電流偏大、焊縫成型過寬、多層多道焊操作不規(guī)范等，都會對焊接接頭沖擊韌性產(chǎn)生不利影響。

實際操作中焊工技能不佳或工作習(xí)慣不良，造成焊縫外觀成型差、沒有圓滑過渡、存在咬邊、弧坑等焊接缺陷，使焊接接頭性能下降和產(chǎn)生應(yīng)力集中；施工過程中對T23水冷壁管與鰭片或其他鍋爐配件的焊接工藝不重視，對焊接順序、焊接質(zhì)量不嚴(yán)格控制，由此產(chǎn)生焊接缺陷及較大的焊接殘余應(yīng)力成為裂紋產(chǎn)生和擴展的誘發(fā)因素。

2.3 水冷壁結(jié)構(gòu)特點

塔式鍋爐水冷壁采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的型式，螺旋段水冷壁經(jīng)中間集箱混合后再由連接管引出，形成垂直段水冷壁。在鍋爐40米至70米標(biāo)高區(qū)域布置了多層剛性梁，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性梁與水冷壁依靠大量的鐵件聯(lián)接，水冷壁受剛性梁、鐵件拘束，應(yīng)力不易得到釋放；螺旋段水冷壁四角轉(zhuǎn)角處彎管的角焊縫密封焊，焊接工作量巨大，由此產(chǎn)生拘束應(yīng)力和焊接應(yīng)力的疊加，成為裂紋擴展、造成泄漏的外部因素。

2.4 機組運行及啟停因素

機組啟停或調(diào)峰過程中負(fù)荷的突升、突降造成水冷壁管與剛性梁之間不均勻膨脹，頻繁的交變應(yīng)力容易使應(yīng)力集中處開裂泄漏；另外現(xiàn)在機組點火采用等離子點火及助燃用油技術(shù)，點火初期控制不當(dāng)產(chǎn)生爆燃加劇了對水冷壁的損傷。

3 對策措施

3.1 焊接工藝改進

水冷壁管焊接采用全氬弧焊，焊前預(yù)熱溫度150℃～280℃，火焰加熱，層間溫度150℃～280℃，多層多道焊，特別要求蓋面層采用多道焊，焊后采取保溫緩冷措施；嚴(yán)格控制焊接電流，適當(dāng)提高焊接速度，減小焊接熱輸入量。加強每層、每道焊道之間的打磨清理，保證焊縫質(zhì)量，焊縫外觀成型要求圓滑過渡、無咬邊等超標(biāo)缺陷，焊后進行100%外觀檢查和消缺；對壁厚超過8mm的T23焊口進行焊后熱處理，熱處理恒溫溫度720℃～740℃，恒溫時間9～10min。若不能及時進行焊后熱處理應(yīng)立即進行后熱，后熱溫度300℃～400℃，保溫時間2h～4h。

3.2 針對水冷壁結(jié)構(gòu)特點相應(yīng)的建議和措施

建議合理改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證強度的前提下，盡量減少焊接工作量。

水冷壁T23管與鑲嵌塊及鑲嵌條焊接、鰭片密封焊焊接工藝改進：水冷壁T23管和鑲嵌塊及鑲嵌條焊接采用全氬弧焊，鰭片密封焊采用焊條電弧焊；鑲嵌塊及鑲嵌條焊接應(yīng)在完成管道焊口射線檢驗且結(jié)果合格后進行，鑲嵌塊及鑲嵌條與管子的焊接部位焊前必須打磨出坡口并清理干凈，嚴(yán)格控制裝配間隙以減小對T23鋼管側(cè)的熱輸入量；焊前預(yù)熱，焊后保溫緩冷，控制層間溫度。若焊接中斷應(yīng)進行后熱并保溫緩冷，重新恢復(fù)焊接前應(yīng)再次進行預(yù)熱；焊接時采用分段焊工藝，減小焊接應(yīng)力和變形，焊縫外觀成型要求圓滑過渡、無咬邊等超標(biāo)缺陷，焊后進行100%外觀檢查和消缺。

機組調(diào)試及運行時嚴(yán)格控制機組啟停升降溫速度，保持燃燒穩(wěn)定，防止操作不當(dāng)，防止超溫運行。每次停爐對水冷壁剛性梁和鐵件集中位置進行查漏消缺。

5 結(jié)語

通過長期以來的工程實踐，以及不斷加深的對T23鋼性能、焊接特點認(rèn)識，目前工程中嚴(yán)格執(zhí)行了改進后的焊接工藝，采取了相應(yīng)的對策措施，并且加強監(jiān)督和管控，塔式鍋爐水冷壁T23鋼焊接質(zhì)量明顯提高，對防止水冷壁泄漏，確保機組安全可靠運行有著非常積極的作用。