基于大數據分析的鍋爐再熱器焊縫開裂失效研究

劉曉莎，王 林，田永毅，汪曉紅，夏東盛

(1.陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著環保要求日趨嚴格，排放不達標的小火電廠陸續關停，高參數、大容量的燃煤發電機組正成為滿足國民經濟電力需求的主力軍[1]。某地區依托國家科技支撐計劃“1 000 MW高效寬負荷率的超超臨界機組開發與應用”課題，新建2臺超超臨界1 000 MW等級的高效環保工程示范機組，通過技術集成創新顯著提高了機組的深度調峰能力[2-3]。該工程2號機組鍋爐選用了型號為DG2906/29.3-II3的國產新一代直流爐，其主要設計參數如表1所示。

表1 鍋爐主要設計參數

該工程鍋爐為一次中間再熱、全鋼構架、π型布置的直流爐。整體布置如圖1所示。

高溫再熱器為U型管屏，每屏由16根管繞制而成，自左向右布置在水平煙道，共計74片管屏，屏長約20 m。高溫再熱器管屏結構如圖2所示。

圖1 鍋爐整體布置

圖2 高溫再熱器管屏構成

高溫再熱器的制造材料具體信息如表2所示。

表2 高溫再熱器管材規格

1 再熱器焊縫開裂過程

2019年8月9日，該工程2號機組在“168 h滿負荷試運行”考驗期間，高溫再熱器發生爆管，停爐冷卻后，進行了管屏檢修。8月26日，維修工作結束后，為消除隱患，開展了再熱器系統水壓試驗，充水壓力為4.2 MPa。打壓過程中聽到爐內高溫再熱器區域有泄漏聲，開人孔門進行檢查，發現2根管焊縫區域往外噴水，具體情況如圖3和圖4所示。

圖3 編號44-4管泄漏

圖4 編號44-10管泄漏

泄漏點的具體位置在高溫再熱器第44片管屏中第4號(編號44-4)和第10號(編號44-10)管的入口段。確認泄漏后，再熱器系統水壓試驗停止，鍋爐放水結束后，對泄漏部位進行了取樣化驗，分析了泄漏原因，并制定了合理的維修方案。

2 泄漏管段檢測

為分析再熱器焊縫開裂失效原因，對現場采集的管段進行了多項理化檢驗。

2.1 宏觀檢查

為查明裂紋具體形態，對管子泄漏部位及其附近區域橫向剖開。從剖面圖5上可以清楚看到，兩處焊縫裂紋均是從內壁起裂，沿熔合線向外壁擴展。

圖5 焊縫處剖面

2.2 金相檢查

選取編號44-10-b焊縫泄漏管樣做金相檢測，焊縫熔合區拋光態如圖6所示。

圖6 焊縫熔合區裂紋拋光態形貌

從圖6可見，熔合區存在明顯裂縫，主裂紋兩側有較多沿晶小裂紋。主裂紋起始于熱影響區的粗晶區，從內壁向外壁沿晶擴展，最終沿熔合線擴展。熔合區部位存在大量黑色網狀氧化物，熱影響區晶界在拋光態下清晰可見，具有焊接能量過高，發生晶界“過燒”的相關特征[4-6]。檢驗了其他試樣，結果均類似。

焊接熱影響區拋光態及腐蝕后對比形貌如圖7所示，由圖7可知，晶粒間結合不良，使得彼此間邊界十分清晰，這是焊接熔合異常的表現[7-8]。

圖7 焊接熱影響區形貌

2.3 室溫拉伸試驗

對編號44-4管進出口段、編號44-10管取樣進行了室溫拉伸試驗，相關結果如表3所示。

表3 室溫拉伸試驗結果

編號44-5管子拉伸試驗具體情況如圖8所示。從圖8可清晰觀察到發黑區域。

圖8 拉斷試樣形貌

將編號44-5管拉伸后斷口發黑區域取樣，進行金相檢查，如圖9所示。斷面附近拋光態可見清晰晶界及晶界氧化物。

圖9 斷面發黑區域形貌

利用大數據分析基本原理，匯總各項理化檢驗結果[9-10]，認為焊縫部位熔合區域存在大量沿晶裂紋，主裂紋失效原因為焊接工藝選取了“一道焊”，使得焊接的線能量過高，晶界部分熔化，結合處熔合不良。焊接過程工藝質量控制不當是此次失效的主要原因。

3 維修方案

對上述裂紋處管子進行重新焊接，改用多層多道手工焊接工藝，降低焊接線能量，嚴格控制層間溫度，確保焊接處熔合良好。焊接后的所有焊口均利用射線探傷進行檢測，未出現異常，證明多層多道焊的焊接質量能夠滿足要求。

4 結 論

爐管泄露是機組長期穩定運行的主要威脅之一，根據高溫再熱器泄露管的外觀檢查、金相分析及機械性能測試，最終認為焊縫出現裂紋失效的主要原因為：焊接是工藝質量控制不當，致使焊接線能量過高，兩根管對口部位熔合不良。對同類型焊口切除后，按照多層多道焊工藝進行了重新焊接。經射線檢測，焊接質量優良，高溫再熱器能夠滿足安全運行的要求，相關分析經驗可供同類機組參考。