600 MW 機組高溫集箱鑄造三通焊縫裂紋分析及處理

陳順青,于長江,毛志忠,唐海峰

(河北國華滄東發電有限責任公司,河北 滄州 061003)

某火電廠1 號鍋爐型號SG-2028/17.5-M909,為亞臨界參數π型汽包爐,采用控制循環、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式、燃燒器擺動調節、平衡通風、固態排渣、全鋼懸吊結構,半露天布置、運轉層下封閉的燃煤鍋爐,主蒸汽設計壓力17.5 MPa,主蒸汽溫度541 ℃,于2006年6月投產。在鍋爐壓力管道開展定期檢驗時發現鍋爐熱箱(大包)內多個過熱器高溫集箱三通焊縫出現表面環向裂紋。本文對上述裂紋缺陷產生的原因進行分析,并提出合理的焊接及熱處理工藝進行修復的方法。

1 高溫集箱三通焊縫裂紋缺陷情況

鑒于近期有報導鍋爐熱箱(大包)內集箱鑄造三通焊縫三通側熔合線出現表面環向裂紋[1],某火電廠對鍋爐對應鑄造三通部件進行擴大性檢驗。經過對鍋爐熱箱內包括省煤器懸吊管出口集箱、低溫過熱器出口集箱、分隔屏過熱器出入口集箱、后屏過熱器出入口集箱、末級過熱器出入口集箱、屏式再熱器出入口集箱、末級再熱器出入口集箱在內的總共27個高溫集箱鑄造三通進行磁粉探傷檢驗和超聲波檢驗,發現5個鑄造三通焊縫出現不同程度的表面環向裂紋,具體位置分布如圖1所示,表面裂紋形貌見圖2。通過邊消除缺陷邊進行磁粉探傷檢驗的形式最終掌握了熔合線裂紋深度及向母材擴展的情況,裂紋具體情況如表1所示。

2 裂紋產生原因分析

由于裂紋位置無法取得斷口試樣,未開展金相分析和掃描電鏡斷口分析。本文從宏觀應力、材料特性及化學成分等方面對鍋爐熱箱內高溫集箱鑄造三通焊縫表面環向裂紋產生的原因展開分析。

圖1 熱箱內高溫集箱三通裂紋具體位置分布

圖2 熱箱內高溫集箱三通焊縫表面環向裂紋

表1 高溫集箱鑄造三通裂紋具體情況

2.1 應力分析

某火電廠1號鍋爐熱箱內高溫集箱三通的具體形狀如圖3所示。三通的結構特殊,焊接熱處理加熱器布置要求高,不均勻的加熱功率造成加熱區產生新的熱處理殘余應力。即焊后進行高溫回火熱處理不僅不能消除焊接殘余應力。而且會形成新的熱處理殘余應力,在結構中長期存在。這些殘余應力和運行中的彎曲應力集中在焊縫上緩慢釋放易形成應力釋放裂紋。

圖3 熱箱內高溫集箱三通具體形狀

a.鍋爐熱箱內高溫集箱三通在整個鍋爐管系中的受力和變形比較復雜,在自重、蒸汽壓力和持續的外力作用下產生的應力以及熱脹冷縮和其他約束因素引起的應力主要作用在高溫集箱鑄造三通和蒸汽連接管道的交接處。高溫集箱鑄造三通與蒸汽連接管道焊口之間的過度尺寸較小,蒸汽連接管道與三通的相對位移產生的彎曲應力會傳導至該位置接近局部彎曲應力峰值。

b.蒸汽連接管道和高溫集箱三通的厚度都較大,焊接時熔池凝固過程中,因受到周圍金屬凝固產生的拉應力作用[2]而產生的焊接殘余應力很難被焊后熱處理完全消除。

c.蒸汽連接管道和高溫集箱鑄造三通存在一定的厚度差,如分隔屏過熱器出口集箱三通厚度為75 mm,而且在熱處理過程中兩端散熱,同時還有相連的小徑管散熱,蒸汽連接管道厚度為65 mm,在熱處理過程中為單向散熱,與三通散熱情況完全不同,使得在焊接預熱和后期熱處理過程中升溫速度不同,產生溫差應力。

2.2 材料特性及化學成分分析

12Cr1Mo VG 鋼是國內高壓、超高壓、亞臨界電站鍋爐廣泛采用的鋼種[3],該鋼具有較高的持久塑性、持久強度和良好的抗氧化性能,同時具有優良的工藝性能。其原始正火組織為鐵素體+層片狀珠光體[4-5]。其化學成分[3]處于再熱裂紋形成敏感成分范圍,但正常條件下,再熱裂紋不會發生,在晶粒粗化后同時受到高拉應力的作用,再熱裂紋有可能發生[6],即12Cr1Mo VG 鋼存在一定的再熱裂紋傾向,加之鍋爐熱箱內高溫集箱三通大部分工作在541 ℃左右,處在再熱裂紋敏感溫度區域500～700 ℃內,若再滿足上節中所述的存在復雜應力條件,則滿足再熱裂紋產生的條件。

2.3 宏觀分析

裂紋位于熔合線處,與熔合線形態相吻合處在焊接熱影響區,這與再熱裂紋沿粗晶區開始相吻合,裂紋打磨后消失,說明裂紋是從外壁開始,這與焊縫橫向應力分布一致。綜上所述,此種高溫集箱三通表面環向裂紋屬于再熱裂紋,由焊縫熔合線處復雜應力釋放造成。

3 焊縫處理措施

3.1 消除缺陷

一般裂紋缺陷采用角磨機打磨挖除的方法,如果缺陷在處理過程中擴大就要采用車刀整圈環切消除,需要邊消除缺陷邊進行檢驗,確認無缺陷后,再進行焊前準備。對已消除缺陷的部位向兩側開坡口,兩側15 mm 的范圍進行除銹垢、油污直到露出金屬光澤,坡口寬度能夠保證焊條擺動寬度,可有效控制熔合比,防止未焊透缺陷的產生。

3.2 焊前準備

在處理高溫集箱鑄造三通裂紋缺陷前,用光譜儀再次核實三通、管道的材質,防止在選擇焊條材質方面出現問題。確認材質為12Cr1MoVG 鋼,選擇使用規格為φ3.2的E5515-B2-V(R317)焊條,并用光譜儀核實焊條成分。在使用前需按照要求烘烤焊條,使用時裝入專用保溫筒內,隨用隨取。焊機選用逆變直流焊機,熱處理設備使用ZWK-180 KW 智能溫控儀2臺,WRNK-181型鎧裝熱電偶8支(4支溫控、4支監測),柔性陶瓷電阻加熱器若干(包括履帶式和繩式加熱器,而且檢查加熱器無破損)。準備好合適的電源開關及電纜,防止因升溫至高溫區間時功率過大,電流過載導致電源跳閘影響熱處理質量。此外,依據DL/T 616—2006《火力發電廠汽水管道與支吊架維修調整導則》,對所在集箱、管系相應支吊架進行固定及管道加固工作,確保鑄造三通處理缺陷前后管系局部和整體的受力合理,吊點載荷承載合理,保證系統穩定性,防止施焊及熱處理作業過程中發生變形。

3.3 焊接及熱處理

開始焊接及熱處理前需要對施焊及熱處理作業人員進行資質審核及試驗件實操考核,保證作業人員技能水平合格。由于是返修補焊,5個缺陷三通焊縫均未磨透,故只采取手工電弧焊焊接方法,熱箱內部屬密閉空間,無需考慮防雨、防風等措施。為保證焊接質量,不出現返口問題,嚴格控制焊接過程,加強質量過程管控,安排專業技術人員24 h監控。根據鍋爐熱箱內高溫集箱鑄造三通裂紋具體情況,依據相關技術規程中返修焊件的相關標準制定了焊接及熱處理工藝卡,焊接方面重點從層間溫度、焊接電流、焊層厚度等參數進行全面監控;預熱、焊后熱處理方面重點從加熱時間、升溫速度等參數進行監控。焊前預熱和焊后熱處理時,除對焊縫加熱外還要采取輔助加熱方式保證焊縫上下升溫及溫度的均勻性。焊前預熱加熱器安裝在距坡口邊緣20～30 mm 處,加熱范圍單側400 mm,保溫寬度單側800 mm。預熱過程中除熱電偶監控外還要用遠紅外測溫儀測量坡口處溫度,切實保證預熱溫度達到工藝要求。

達到預熱溫度且溫度保持恒定后開始焊接工作,采用SMAW 焊接方法、多層多道焊方式,控制好層間溫度,保證采用小線能量焊接。每完成一層進行自檢合格后才能進行下一層焊接,并根據焊口的實測溫度對預熱溫度進行隨時調整。每層都需要用1.5磅圓頭錘,錘擊焊道6～8下/cm2,整個焊層表面形成均勻麻點,整個焊接過程要一氣呵成。焊接具體工藝參數見表2,焊接及焊后熱處理工藝曲線見圖4,焊后熱處理柔性陶瓷加熱器布置示意見圖5。

表2 焊接工藝參數

圖4 焊接及焊后熱處理工藝曲線

3.4 焊后檢驗及結果

圖5 焊后熱處理柔性陶瓷加熱器布置示意

焊后熱處理48 h后對焊縫進行磁粉探傷、超聲波探傷檢驗,檢驗全部合格。隨后對焊縫進行硬度檢查,熱處理前后具體硬度值見表3,根據DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》附錄C中要求,12Cr1Mo VG 母材硬度值應在135～195HB范圍內,DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》中要求同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度,不超過母材布氏硬度值加100(HBW),且不超過下列規定:合金總含量小于或等于3%,布氏硬度值不大于270HBW;合金總含量小于10%,且不小于3%,布氏硬度值不大于300HBW。因此,由表3數據可知,此次熱處理后硬度值符合相關規程要求。綜合上述檢驗結果可知,該廠成功修復了高溫集箱鑄造三通表面環向裂紋缺陷。

表3 高溫集箱三通熱處理前后硬度參數對比

4 結論及建議

本文從宏觀應力、材料特性及化學成分等方面分析了600 MW 亞臨界機組高溫集箱三通焊縫裂紋產生的原因,最終確認該裂紋屬于再熱裂紋,由焊縫熔合線處復雜應力釋放造成。隨后,通過采取合理的焊接及熱處理工藝成功修復了裂紋缺陷。針對整個缺陷分析及處理過程,提出以下建議。

a.對類似高溫集箱三通加強金屬監督力度。一般此類高溫集箱三通焊縫裂紋缺陷處理時間較長,需要結合檢修工期,及時開展此類三通的金屬監督檢驗工作,合理安排工期。通過該廠鍋爐熱箱內高溫集箱鑄造三通裂紋具體位置分布和現場情況可知:高溫過熱器集箱是重點監督對象;日常爐外支吊架檢查,有變形松動現象的聯箱是監督重點;高合金鑄造三通是監督重點,其他情況可適當抽檢,如有缺陷再進行擴大性檢驗,將修復過的鑄造三通列為定期檢驗金屬監督部件,加強監督檢驗力度。

b.此類高溫集箱鑄造三通表面環向裂紋缺陷處理時,如果缺陷深度超過15 mm,超過管道壁厚的10%且長度超過三通周長的1/3圈時,建議采用車刀整圈環切的方式消除缺陷,防止修復后缺陷裂紋末端集中應力釋放出現延伸裂紋,影響檢修工期或者管材使用壽命。

c.在修復此類三通焊縫裂紋缺陷時需要保證輸入小的焊接線能量,以及較高的預熱溫度;焊后每層都用錘子錘擊焊道釋放焊接應力;焊后熱處理時要采用輔助加熱、增加保溫厚度和加熱寬度,保證熱處理效果。

d.修復完成后需要進行磁粉探傷、超聲波探傷及硬度檢驗,檢驗需要等待焊縫完全冷卻至室溫后48 h再進行。