某電廠高溫再熱器入口集箱筒身環縫裂紋分析及處理

徐祥久， 李秋石

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046;2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 前言

電站鍋爐作為重要的承壓特種設備，其承壓結構的連接一般通過焊接的形式來實現，焊接接頭的性能和質量是保證鍋爐機組長期穩定運行的關鍵[1-3]。對于已投運鍋爐機組需對其進行監督，掌握金屬構件在服役過程中的組織、性能及缺陷萌生情況，發現并評估鍋爐存在的問題與風險，分析問題產生的原因，使之在失效前得到及時有效的修復或更換[4]。對于焊接缺陷的分析通常需要在焊接接頭位置進行取樣檢測[5-6]，然而，對于集箱筒身、鍋筒等厚壁復雜結構取樣會對部件產生較大損傷，因此在進行此類結構缺陷分析時應兼顧修復難度，最小化對原始結構的破壞。

1 鍋爐機組簡介

某電廠1 000 MW機組已投運近5年時間，其鍋爐為超超臨界變壓直流鍋爐，采用π型布置、單爐膛、反向雙切圓燃燒方式。再熱器入口蒸汽壓力為5.11 MPa、蒸汽溫度為353 ℃。高溫再熱器入口集箱筒身材料為SA-335 P22大口徑鋼管，直徑為711 mm，壁厚為72 mm，其化學成分見表1。圖1為缺陷位置集箱結構簡圖，僅示出了管孔位置和管接頭中心線。

表1 SA-335 P22鋼管化學成分(質量分數，%)

圖1 高溫再熱器入口集箱

2 裂紋概況

在電廠對鍋爐進行檢修期間，在高溫再熱器入口集箱(右側)的第4條筒身拼接環縫圓周方向上，MT檢測發現11條橫向裂紋(裂紋垂直于焊道方向)，裂紋分布無明顯規律，裂紋長度為38～55 mm，通過UT測量裂紋深度為30～50 mm，圖2所示為部分裂紋位置及表面形貌，將裂紋編號1～11 號。左、右2個高溫再熱器入口集箱，共12條拼接環縫，其余11條焊縫未發現類似裂紋。

3 金相檢驗

對2號裂紋區域筒體表面進行打磨拋光，并用硝酸酒精腐蝕，發現該環縫位置焊縫總寬度達130 mm，且焊縫寬度方向不連續，如圖3所示，其中B，D，F區域為焊縫，A，C，E，G區域為原始母材。對1號裂紋檢查也發現類似現象。

圖3 2號裂紋附件筒體表面形貌

因鍋爐機組為檢修狀態，不宜對集箱過度破壞，為確認焊縫的組織形貌，在垂直于焊道方向將焊縫用砂輪打磨剖開一個凹槽，凹槽深度約10 mm，然后對凹槽斷面進行打磨并用硝酸酒精腐蝕，以觀察焊縫及母材輪廓。發現B區焊縫寬度、形貌與圖紙拼接環縫坡口尺寸相符，為正常拼接焊縫，但其表面5～7 mm深度范圍內焊縫寬度異常，比理論坡口邊緣寬出10～15 mm。D區和F區焊縫深度分別為6 mm和7 mm，如圖4所示，其焊縫僅存在于筒體近表面區域內，為母材表面局部補焊，并非筒體拼接焊縫。

圖4 D,F區焊縫焊縫輪廓

對A～G各區進行表面貼膜金相檢測，結果如圖5所示，母材組織為貝氏體+鐵素體(圖5a)、焊縫組織為貝氏體(圖5b和5c)，焊縫與母材的組織均無異常，為正常的焊縫和母材組織。2號裂紋位于B區，即拼接焊縫位置，圖5d為2號裂紋形貌。

圖5 2號裂紋區域組織形貌

4 硬度檢測

對2號裂紋位置各區域進行了硬度檢測，每個區域測量3點取平均值，其結果如圖6所示。B,D,F區為焊縫硬度，其硬度平均值分別為189 HB,190 HB和192 HB，三個焊縫區域硬度值較一致。各區域母材硬度檢測平均值在158～163 HB范圍內。焊縫、母材硬度的檢測值均在合理范圍內，均為消應力熱處理后的合格硬度值。

5 原因分析及處理

由于鍋爐機組檢修期有限，且不宜過多破壞集箱本體，僅進行了無損檢測、表面金相和表面硬度檢測，然而裂紋附近區域焊縫和母材的組織、硬度檢測結果均未發現異常，據此無法判斷導致裂紋產生的原因。

根據裂紋區域焊縫超寬的情況，對高溫再熱器集箱制造過程進行分析，發現制造廠在集箱管接頭裝配、焊接時，需將集箱筒身放置在“V”形支架上，在轉動過程中集箱筒身表面會與“V”形支架產生滑動摩擦，通常情況下這種摩擦不會對筒身表面造成損傷，但如果“V”形支架上存在焊接飛濺、異物等便會導致筒身表面劃傷。因此，根據該環縫表面寬度和D,F區域焊縫深度推斷，該環縫位置表面在集箱管接頭裝焊過程中被“V”形支架劃傷，劃痕寬度約為130 mm(不連續)、深度范圍為5～7 mm(圖7)，制造廠對筒身表面劃傷區域進行了補焊，且補焊是在集箱整體消應力熱處理前進行的，從焊縫表面硬度檢測結果可證實。

圖7 筒身表面劃痕示意圖

綜上分析，該焊縫位置裂紋的產生與集箱筒身劃痕補焊有直接關系。SA-335 P22的碳當量約為0.87%，有很強的冷裂紋敏感性，補焊過程中實際工件溫度未能達到焊接工藝要求的最小預熱溫度，焊后未進行有效的消氫處理，導致補焊焊縫表面產生冷裂紋，且裂紋的產生會有一定的延遲性。這些冷裂紋尺寸相對較小，僅存在于集箱筒身表面補焊焊縫中。而補焊時集箱管接頭已裝焊完成，不利于補焊操作及焊后無損檢測，以至于高溫再熱器入口集箱安裝投運也未發現該問題。在鍋爐機組運行過程中，受熱應力的作用裂紋由焊縫表面逐漸長大并擴展，直至形成宏觀表象，在檢修時被發現。

針對該電廠高溫再熱器入口集箱環縫裂紋問題，在檢修期間對11條裂紋進行返修處理，清除裂紋、補焊及焊后消應力熱處理，作為臨時解決方案，同時建議在下次檢修期對該段存在補焊的集箱筒體進行局部更換作為最終解決方案，以保證該1 000 MW超超臨界鍋爐機組的長期穩定運行。

6 結論

通過對裂紋宏觀形貌觀察，裂紋區域焊縫和母材的金相、硬度檢測，以及對集箱制造工藝過程分析。推斷了導致高溫再熱器入口集箱筒身環縫橫向裂紋的原因主要為制造過程補焊操作不當，補焊焊縫產生微小冷裂紋，鍋爐運行過程中受熱應力作用擴展，最終形成宏觀裂紋。制造過程中出現質量問題應找到問題產生的原因，制定具體的處理工藝方案，并嚴格按工藝要求執行，才能保證產品的最終品質滿足使用要求。