鍋筒焊縫縱向裂紋產生原因及檢驗修復措施

徐火力，陳其錦

（廈門市特種設備檢驗檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

廈門某熱電公司一臺高壓電站鍋爐，鍋爐型號NG-220/9.8-M24，額定蒸汽壓力9.8 MPa，額定蒸發量220 t/h，額定蒸汽溫度540 ℃，給水溫度215 ℃，于2005 年3 月制造。鍋筒是該鍋爐最重要的受壓部件，該鍋筒有3 個筒節，內徑1600 mm，長度8400 mm，厚度為100 mm，材料為P355GH（19Mn6），工作壓力10.98 MPa。該鍋爐于2007 年3 月投入使用至今。

1 鍋爐定期檢驗發現裂紋情況

2020 年4 月對鍋爐進行內部檢驗，期間對鍋筒縱環焊縫進行磁粉無損檢測，發現該鍋筒縱焊縫Z1 內表面下邊沿存在一處開口裂紋，總長2200 mm，貫穿該筒節焊縫全長，如圖1、圖2 所示；再從鍋筒外表面采用超聲波對該焊縫進一步無損檢測，結果顯示缺陷上端點距鍋筒外表面最小值處約86.5 mm（鍋筒壁厚100 mm），即該裂紋最大深度約13.5 mm。發現縱焊縫Z2 內表面上邊沿存在一處開口裂紋，長310 mm，深度約2 mm。縱焊縫Z3內表面下邊沿存在一處開口裂紋，長330 mm，深度約2 mm。

圖1 鍋筒焊縫布置

圖2 縱縫Z1 裂紋缺陷

2 產生原因分析

2.1 進一步檢測缺陷部位

為了找出產生缺陷的原因，查閱了該鍋爐的制造、安裝等技術資料和運行、維修記錄，并對鍋筒焊縫、熱影響區和母材進行外觀檢查、硬度和金相檢測。

（1）查閱了鍋爐制造、安裝等技術資料。發現存在以下問題：①制造資料記錄了鍋筒熱處理加熱溫度為（560±20）℃，該溫度與相關要求鍋筒熱處理加熱溫度550～600 ℃相比，明顯加熱溫度偏低[1]；②有一安裝監檢意見書，指出該鍋筒的焊縫硬度偏高，要求做相應降低硬度處理，回復處理結果為“已運回制造廠對焊縫進行相應的降低硬度處理”。以上問題說明了該焊縫原來的熱處理工藝存在不足，應力未能有效消除。

（2）外觀檢查。目測開裂的縱焊縫外觀不太規則，焊縫比母材高出較多，形成了一個突變的臺階；在焊縫的融合線附近存在較多表面缺陷，說明該焊縫原來的制造工藝存在不足。

（3）硬度和金相檢測。維修前對焊縫、熱影響區和母材進行硬度測試，結果（平均值）如下：縱焊縫205 HB，熱影響區150 HB，母材147 HB。其中縱焊縫Z1 測試5 個點，硬度分別為214 HB、206 HB、198 HB、207 HB、199 HB。以上檢測結果顯示，焊縫的硬度明顯偏高。對裂紋最深處（第一節內筒人孔側環焊縫左端+1600 mm處）附近的焊縫、母材和熱影響區進行金相檢測：①圖3 顯示縱焊縫為先共析鐵素體，呈現針狀、塊狀沿柱狀晶分布，少量珠光體加碳化物，組織狀態正常；②圖4 顯示母材為鐵素體+珠光體組織，珠光體分布不均勻呈現帶狀組織狀態，為鋼板加工延壓造成，組織正常；③圖5、圖6 顯示上、下熱影響區均為典型的焊接熱影響區過熱母材組織，片狀珠光體邊界已模糊，呈現球化傾向，組織仍為合格狀態。

圖3 縱焊縫金相

圖4 母材金相

圖5 上熱影響區金相

圖6 下熱影響區金相

2.2 產生裂紋的原因分析

通過觀察裂紋形態、位置，綜合磁粉、超聲、金相、硬度檢驗檢測結果，并追溯生產過程工藝，判斷該鍋筒裂紋為焊趾裂紋（冷裂紋）。產生裂紋的主要原因如下：

（1）存在延遲裂紋傾向。鍋筒材料為P355GH，屬于低合金高強鋼，具有淬硬傾向。該材料中氫的擴散速度較慢，既來不及逸出金屬也不能被完全抑制，易在金屬內部發生聚集，具有延遲裂紋傾向。

（2）應力集中導致焊縫開裂。鍋筒筒節生產工藝為一次壓制成型—焊接—圓整，鍋筒受結構剛度、焊接順序、受載情況等因素影響，存在較大的拘束應力，其中產生應力的主要環節在圓整工藝上。該鍋筒圓整后將筒節內表面縱焊縫余高擠壓成臺階狀，造成熔合線應力集中。從以上金相檢測結果顯示，焊縫附近母材存在因鋼板加工延壓造成的珠光體分布不均勻呈現帶狀組織狀態，鍋爐在頻繁的啟停中，鍋筒受到周期性的加熱、冷卻，在交變應力的作用下導致焊縫開裂并擴展。

（3）熱處理工藝存在不足。熱處理加熱溫度偏低，應力未能有效消除。

3 修復工藝建議和質量檢驗要求

3.1 裂紋修補前打磨及缺陷確認

對Z1、Z2、Z3 縱焊縫裂紋處采用磨光機打磨，打磨過程進行MT（Magnetic Particle Testing，磁粉探傷）和PT（Penetrant Testing，滲透探傷）復查，以確保焊縫缺陷已完全消除。Z1 焊縫打磨深度約13.5 mm 時、Z2、Z3 焊縫打磨深度約2 mm 時，經確認裂紋缺陷已消失。打磨后Z2、Z3 縱焊縫剩余厚度滿足強度要求，所以無需進行補焊，只需打磨至焊縫與母材圓滑過渡即可。Z1 焊縫打磨深度較深，需進行補焊，補焊前需修磨出適合于補焊的圓滑過渡的U 形槽。Z1 焊縫打磨成開口約18 mm、深度13.5 mm 的坡口，坡口底部呈圓弧狀，圓弧半徑約為5 mm，坡口邊緣20 mm 范圍內應將氧化皮等雜物清理干凈，打磨至露出金屬光澤。U 形槽坡坡口如圖7 所示，其中R≈5 mm，a≈15°。

圖7 U 形槽坡口

3.2 焊前預熱

因裂紋在鍋筒內部，焊工需在鍋筒內部施焊，故焊前預熱得在鍋筒內、外同時進行。采用柔性陶瓷電阻加熱，預熱時加熱片覆蓋長度為焊縫及兩端各400 mm 以上，寬度為焊縫兩側各400 mm 或以上[2]。覆蓋好加熱片后，需在加熱片上覆蓋保溫棉，覆蓋長度為加熱片及兩端各200 mm 以上，寬度為焊縫兩側各600 mm 或以上。當溫度升至焊接溫度時，拆除內部加熱片，依靠鍋筒外部加熱片維持焊縫溫度，溫度控制在100～150 ℃[1]。

3.3 焊接工藝

本次修補采用E5015（Φ3.2）焊條，電流為90～130 A。施焊前，焊條應按要求烘烤2 h，烘烤溫度為350 ℃，烘烤后放入保溫桶。Z1 焊縫補焊采用多層多道焊，施焊時每道焊縫采用分段焊法，即每道焊縫劃分為約440 mm/段，共5 段，先焊第1、3、5段，再焊第2、4 段，如此可減少焊接應力的過大累積。焊道寬度控制在6～8 mm，熔深控制在2～3 mm。為減少收弧次數，每根焊條一次焊完，焊完一道，必須清渣進行檢查，確認無缺陷時繼續施焊。施焊完成后應在焊縫表面覆上保溫棉，并逐步減少加熱功率，以達到緩慢降溫的效果，待溫度降下來后，修補的焊縫應打磨圓滑過渡，然后進行100%UT（Ultrasonic Testing，超聲波探傷）及100%MT 檢測。

3.4 焊接熱處理

焊后熱處理采用柔性陶瓷電阻內外同時加熱、整段熱處理的方式。焊縫內、外部加熱片覆蓋長度為返修焊縫加上兩端各400 mm 以上，寬度為焊縫兩側各400 mm 或以上[2]。加熱片布置好后覆蓋保溫棉，覆蓋長度為加熱片加上兩端各200 mm 以上，寬度為焊縫兩側各600 mm 或以上，厚度為80 mm。按下圖8 曲線進行熱處理[1]。

圖8 熱處理曲線

3.5 焊后質量檢查要求

（1）外觀檢查。焊縫和母材平滑過渡，焊縫外形尺寸符合要求，焊縫表面和根部不存在焊接缺陷。

（2）無損檢測。對Z1 焊縫進行100%UT，加上100%MT 檢測。執行標準NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》，Ⅰ級合格。

（3）金屬監督檢驗。按照標準DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求進行光譜、硬度和金相等檢測。檢測的數量為光譜：母材2 點，焊縫1 點；硬度：母材6 點，熱影響區6 點，焊縫3 點。焊縫硬度測定平均值不超過母材布氏硬度值加100 HB，且不超過270 HB，同時不低于母材硬度的90%[3]。當焊縫硬度偏高或偏低時，應進行現場金相檢驗。檢驗方法按DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》執行。

4 維修質量檢查結果

此次維修，采納以上維修建議。維修后，焊縫經外觀檢查、無損檢測、光譜和硬度等檢查，結果均符合要求，修復一次成功：①焊縫外形尺寸檢查符合要求，未見表面焊接缺陷；②無損檢測結果合格，100%UT 結果為Ⅰ級，100%MT 結果為Ⅰ級；③對焊縫及兩側母材進行光譜分析，結果均符合要求；④對Z1焊縫及兩側熱影響區、母材進行硬度測試，結果均符合要求，見表1。

表1 Z1 焊縫返修后硬度值HB

5 結束語

通過對電站鍋爐鍋筒產生縱向裂紋的原因進行分析，提出了針對性的修復工藝建議和質量檢驗要求，確保了本次維修的質量。同時，為了防止電站鍋爐鍋筒產生裂紋等焊接缺陷，及時找出和消除缺陷隱患，確保電站鍋爐安全運行，建議可采取以下相應的防治措施。

（1）優化鍋筒制造工藝并嚴格執行焊接和熱處理工藝，提高焊接質量水平。焊縫和母材應圓滑過渡，在筒節圓整環節上，避免將筒節縱焊縫余高擠壓成臺階狀，造成熔合線應力集中。按照相關法規標準的要求，制定合理的焊接和熱處理工藝，嚴格控制相應的工藝參數，做好焊接和熱處理工作，及時有效地消除殘余應力。

（2）加強對鍋筒定期檢驗的要求，及時發現和消除焊接缺陷：①對鍋筒有針對性地選取無損檢測重點部位，每次無損檢測應盡量包括T 字焊縫、歷史未檢測部位、上次無損檢測發現問題的部位、鍋筒宏觀檢查發現異常的部位，以及對出廠、歷次檢驗記載的埋藏缺陷進行抽查，對表面無損檢測發現裂紋的部位進行超聲波檢測；②做好無損檢測前期準備工作，拆除妨礙鍋筒檢驗的部件，對被內件覆蓋的縱、環焊縫應進行無損檢測抽查；③無損檢測發現存在超標缺陷的，應對焊縫進行相應的擴探，若還發現存在超標缺陷，應加大擴探比例，直至100%無損檢測；④提高鍋筒無損檢測比例，對單次定期檢驗未進行100%表面無損檢測、超聲檢測的焊縫，經過多次定期檢驗后，盡量能夠累計達到無損檢測范圍覆蓋至100%焊縫被檢測到，對運行時間≥5 萬小時的鍋爐，建議連續3 個檢驗周期內無損檢測范圍盡量累計達到覆蓋至100%檢測。