火電廠汽輪機缸體接管封堵開裂原因分析與焊接修復

昃 剛，鞏振泉，楊一盈，董 玲，牟法海

(河北建投能源科學技術研究院有限公司，河北 石家莊 050000)

0 前 言

某電廠在通流改造過程中將高中壓汽缸接管切除并使用了鎳基冷補焊工藝對接管管口進行了封堵。但由于焊接工藝執行不到位以及不合理的結構型式等原因造成了焊縫在機組運行過程中發生了泄漏。厚壁汽缸的現場焊接工作一直是一個巨大的難題，汽缸相當于一個大型散熱器，我們很難將局部加熱到我們需要的焊后熱處理溫度。第一次汽缸接管管口封堵采用鎳基金屬對焊縫進行填充，因為不需要熱處理而且產生的形變較小。國內對異種鋼焊接研究較多，對于文中所述的火電廠汽缸接管管口封堵這種特殊的結構形式，沒有該部件針對性強的研究分析和焊接修復方法。對開裂的接頭焊縫進行了金屬元素分析、金相檢驗以及顯微硬度檢驗，明確了開裂的原因，除了焊接工藝執行不到位以外，焊接接頭熔合線I型碳化物析出和粗晶區淬硬的馬氏體組織對焊接接頭造成的不利影響，同時機組參與調峰產生交變應力加速了部件的開裂失效。使用碳當量法對材料焊接性進行了計算，從理論上對比了鎳基冷補焊工藝和同質熱焊工藝的優缺點，由于異種鋼焊接出現熱膨脹系數不同，不適合用于溫差應力過大工況。鎳基焊縫相對缸體同材質強度較軟，承受壓力過大時，也不宜采用，長期運行出現元素遷移，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導致的低塑性早期開裂失效傾向。針對機組參與調峰，工況變化大引起交變應力的特點，提出了采用與汽缸接管同材質圓形封頭對汽缸接管進行封堵的方案。本研究采用定制中頻線圈、中頻焊后熱處理+紅外熱處理聯合熱處理等多種方式，保證焊縫焊后熱處理工作的順利實施及焊接接頭各區域溫度的準確性，解決了因汽缸保留接管短難以進行熱處理的問題，最終完成了焊接修復并檢驗合格。

1 泄漏情況介紹

某發電企業將與高中壓汽缸連接的平衡管切除并使用鎳基冷補焊工藝對管口進行了封堵。機組運行3年后堵板突然飛出，大量蒸汽泄漏，缸體保溫棉被吹落，中壓缸下缸溫度突降至449 ℃，上缸溫度略上升至505 ℃，上下缸溫差達到56 ℃，保護動作打閘，機組非停。高中壓外缸材質為ZG15Cr2Mo1，所用堵板材質為12Cr2Mo1R，焊縫所用焊材為Inconel 82鎳基焊絲(ERNiCr-3)。圖1為焊接完成后的堵板，圖2為開裂飛出的堵板。

圖1 堵板焊縫

圖2 飛脫的堵板

2 泄漏原因分析

2.1 金屬化學元素分析

對焊縫和堵板進行了取樣，對其化學成分進行了定量分析，見表1和表2。

表1 母材12Cr2Mo1R的化學成分 wt%

表2 焊縫的化學成分 wt%

材質12Cr2Mo1R堵板和鎳基焊縫金屬元素含量均符合要求。

2.2 金相檢驗分析

為了得到較好的觀察效果，我們使用線切割設備對飛脫的堵板焊縫和缸體母材進行取樣，對制取的金相試樣使用180目、400目、600目的砂紙進行研磨，使用拋光布配合W5型金剛石拋光劑進行拋光。采用4%硝酸酒精溶液為浸蝕劑，對金相試樣橫截面進行腐蝕處理，使用Axio Vert.A1倒置式金相顯微鏡對試樣橫截面進行金相檢驗。

焊接接頭的熱影響區主要包括粗晶區和細晶區，如圖3所示，粗晶區有貝氏體和少量馬氏體淬硬組織構成；如圖4所示，細晶區主要是貝氏體+鐵素體組織。

圖3 開裂處ZG15Cr2Mo1鋼粗晶區組織

圖4 開裂處ZG15Cr2Mo1鋼粗晶區組織

如圖5所示，熔合線開裂處有疏松狀氧化物，說明開裂是裂紋逐漸擴展形成，如圖6所示，熔合線附近有碳化物析出。根據金相檢驗的結果可以看出，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導致低塑性早期開裂失效傾向。

圖5 開裂處

圖6 鎳基焊縫與母材連接處

2.3 顯微硬度檢查

緊鄰斷開面的ZG15Cr2Mo1鋼側的粗晶區存在部分淬硬的馬氏體組織，顯微硬度為HV0.2260～HV0.2272。接著便是細晶區，細晶區顯微硬度為HV0.2245～HV0.2260。母材為鐵素體+珠光體，顯微硬度為HV0.2170～HV0.2190。由于焊接完成后未進行焊接熱處理，可能由于熱輸入大、冷速過快等原因導致聲成淬硬的馬氏體組織，對焊接接頭的性能有較大的影響。

2.4 原因分析

如圖2所示，堵板焊縫根部未發現焊接痕跡，說明焊縫為整圈未焊透結構，運行過程中，根部存在較大的應力集中，這是焊縫失效開裂的最重要的原因。熔合線會由于I型碳化物析出和淬硬的馬氏體組織對焊接接頭造成的不利影響與未焊透疊加加速了部件的開裂失效。

從管座堵板異種鋼焊縫剝離后的熔合線界面可以看出，該焊縫除了為未焊透結構外，焊縫成形均勻性較低，焊接過程中的錘擊錘痕稀疏，沒有密集覆蓋焊縫表面，不能起到有效降低焊接殘余應力的作用。焊接工藝執行不到位也大大加快了失效開裂的趨勢。

圖7顯示了該機組一周時間內負荷變動情況，在調整負荷時，泄漏部位的壓力和溫度頻繁發生變化，交變應力加速了鎳基焊縫的開裂。

圖7 機組一周內負荷波動曲線

3 焊接修復工藝與優化措施

原工藝焊接方法采用鎢極氬弧焊，使用焊接材料為Inconel 82鎳基焊絲(ERNiCr-3)，?2.0，焊前除油除銹，保持光亮。直流正接；焊接電流，75-90A。使用圓頭鏨子，電動或氣動電錘，專人層間捶擊。使用測溫槍隨時監控層間溫度，角磨機處理焊接缺陷。

用酒精或丙酮清潔焊接區域及周圍75 mm區域，去除油、脂等雜物，確保焊接時不會有污染物流進焊縫，影響焊縫質量。保護好焊接區的周圍母材，防止被灼傷。

用氧乙炔火焰或電加熱片加熱汽缸和堵板待焊接區域及附近區域，熱溫度不低于250 ℃，加熱應均勻，測溫位置離焊接位置不得小于50 mm，用火把烘烤時應移動烘烤，不得只烘烤坡口，且保證其周圍溫度在200度以上。焊接規范采用小規范焊接，電流控制在90 A以下，擺動不超過3 mm，打底焊接，將坡口底部和側面用堆焊一層，焊接長度不大于30 mm，趁熱錘擊(打底焊不錘擊)，要求焊縫表面密布麻坑。應該使用跳焊法。焊道間搭接1/3，且不形成深溝槽。打底焊結束后，應冷卻到室溫，滲透檢驗合格后，再進行填充焊。火把烘烤100 ℃以上，停留片刻，待溫度降到80 ℃時，開始時焊接。每層間溫度不超過70 ℃，焊道長度同樣不大于30 mm，焊后趁紅熱對焊道進行錘擊，要求焊道表面打出麻坑，蓋面焊，不應該錘擊。

合金鋼中決定強度和可焊性的因素主要是含碳量和合金元素的含量。ZG15Cr2Mo1的焊接性好壞我們可以用碳當量計算公式來計算。國際焊接學會(IIW)提出的碳當量計算公式如下：

Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%

根據公式計算得出ZG15Cr2Mo1的碳當量Ceq為0.85%～1.09%，一般焊接性較好的鋼材Ceq≤0.45%，ZG15Cr2Mo1鋼的碳當量值超過其兩倍還要多，焊接性較差。根據CCT曲線可知，ZG15Cr2Mo1鋼極易產生冷裂紋，加上焊縫中H的影響，產生冷裂紋的可能性會大大增加。同時，ZG15Cr2Mo1鋼還具有再熱裂紋傾向，所以需要通過焊前預熱，控制層間溫度，采用小的線能量來防止再熱裂紋產生。

采用鎳基冷焊時，焊縫由鎳基材料填充，采用小的線能量組織在焊接熱循環中不發生相交。因為塑性好，可以溶解更多的氫，所以具有良好的抗裂性能。而且由于線能量小，焊接時部件產生的變形小，可以省去熱處理。但是缺點也很明顯，由于異種鋼焊接出現熱膨脹系數不同(見表3)，不適合用于溫差應力過大工況。鎳基焊縫相對缸體同材質強度較軟，承受壓力過大時，不宜采用。長期運行出現元素遷移，Ni基過渡異種鋼接頭的熔合線會由于I型碳化物析出導致的低塑性早期開裂失效傾向。采用冷補焊工藝，一般為臨時措施，而且對焊工手法要求較高。

表3 兩種材料的線膨脹系數 10-6/℃

根部整圈未焊透是導致本次焊縫失效最重要的原因，對于火力發電廠高溫高壓部件，不允許任何長度的未焊透，由于特殊的結構，無損檢測也難以有效對根部進行全面的檢測。所以新的焊接優化措施首先需要改善焊接結構。

我們將原堵板形式的焊接結構(圖8)替換為對接焊縫形式封頭結構(圖9)。同時由原來的Ni基異種鋼焊接修復工藝，變更為與P22鋼匹配的焊接材料。采用焊前預熱和焊后熱處理方法進行修復處理。

圖8 對接焊縫形式的焊接結構

圖9 對接焊縫形式的焊接結構

由于汽缸接管長度較短，難以使用常規熱處理方式，這也是第一次焊接使用鎳基冷補焊工藝的主要原因。本措施采用定制中頻線圈、中頻焊后熱處理+紅外熱處理聯合熱處理等多種方式，如圖10所示，保證焊縫焊后熱處理工作的順利實施及焊接接頭各區域溫度的準確性。

圖10 中頻加熱線圈示意圖

4 焊接修復方案

4.1 焊接前準備

本次缺陷焊縫修復采用ER62-B3(TIG-R40)焊絲進行氬弧焊打底，采用 E6215-2C1M焊條(焊條牌號：CHH407)進行填充蓋面，焊材規格分別為Φ2.5和Φ3.2，烘焙溫度為300 ℃～350 ℃，烘焙時間為1～2 h，焊絲使用前應用丙酮清除油污、銹垢，露出金屬光澤。氬弧焊用的電極為鈰鎢極，所用氬氣純度不低于99.99%。

焊接實施前對接管和封頭的母材進行宏觀檢查，磁粉檢測和硬度檢測，確認無缺陷后進入坡口制備環節，將坡口附近內壁20 mm范圍除銹去污見金屬光澤。坡口最終制備完成后，采用滲透檢測的方法對坡口進行最終檢測，確認坡口中的所有缺陷完全消除。上述所有工作全部完成后方可進行后續焊前準備、焊接修復、焊后熱處理等工作。

4.2 焊接修復施工

焊前預熱溫度為150 ℃～250 ℃，溫度升到預熱溫度后保溫至少30分鐘，層間溫度控制在200 ℃～300 ℃。采用電加熱，熱電偶測溫。當由氬弧焊轉為焊條電弧焊時，中間必須進行再次升溫至200 ℃～300 ℃。焊前預熱曲線如圖11所示。

圖11 焊接修復的預熱(后熱)工藝曲線

層間溫度控制在200～300 ℃之間，采用多層多道薄層焊，嚴格控制焊接熱輸入、單層焊道寬度和焊層厚度，單道焊道寬度不超過焊條直徑3倍。每道焊接完成后，均應用角磨機或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物完全清除，焊工自檢合格后，方可進行下一層的施焊。焊接工藝參數如表4所示。

表4 缺陷焊縫修復使用的焊接工藝參數

焊接完成后應及時清理焊縫表面的焊渣和飛濺，對于超標的外觀缺陷進行打磨或補焊，焊工自檢合格后，通知焊接技術人員進行外觀檢驗。

焊后熱處理曲線參數如圖12所示，工藝要求包括：

圖12 缸體管座焊縫的焊后熱處理工藝曲線

(1)焊后熱處理溫度為720-750 ℃，恒溫時間1～1.5 h；

(2)根據現場焊縫的位置和結構，采用定制線圈中頻設備或中頻+紅外加熱器聯合加熱的方式實施，確保焊后能夠準確達到預設溫度；

(3)熱電偶應保證與焊縫牢固、充分接觸，保證測量溫度的準確性；

(4)熱電偶與控制柜之間應使用與熱電偶配套的補償導線，保證溫度的準確性；

(5)加熱寬度從焊縫中心計算，加熱寬度、保溫寬度滿足加熱溫度要求。

4.3 焊后檢驗

熱處理完成24 h后，對焊縫進行外觀檢查、表面探傷、超聲波檢測和硬度檢測，檢驗合格。

5 結 論

同質熱焊強度有保證，但是大型鑄件現場熱處理難以進行，如果在熱處理可行的情況下推薦同質熱補焊。異質冷焊由于能量小，汽缸變形小，可以省去熱處理環節，這些方面都是優于同質熱焊的。但是異種鋼焊接會出現熱膨脹系數不同，不適合用于溫差應力過大工況。鎳級強度較軟，承受壓力過大時，也不推薦采用。長期運行還會出現碳元素遷移。所以采用冷補焊工藝，一般為臨時措施。兩種焊接工藝各有優缺點，還是要根據工作現場機組的運行工況、檢修時間等的實際作業條件來選擇。無論采用哪種路線，都需要嚴格執行焊接工藝和相關標準，不允許出現例如未焊透這種嚴重的根部缺陷。

該發電廠汽缸接管堵板焊接結構形式不合理，焊接工藝執行不到位產生了整圈未焊透，焊縫在交變熱應力作用下沿未焊透缺陷延伸，形成焊接裂紋，最終造成堵板失穩開裂、蒸汽泄漏，機組非停。

重大技改項目應組織各相關專業聯合進行審查，對結構的合理性、施工方案等嚴格把關。重大部件的切除更換應聽取各相關專業建議，本次事件最初的原因是對高壓缸冷卻蒸汽管割除不當，造成汽缸預留焊接管座較短，現場熱處理難度極大，之后引發一系列的問題，值得我們深思。此次事故暴露出技改項目在設計上考慮不足，在監造、施工、驗收等各個環節出現監管漏洞，隨著國家能源行業“碳達峰、碳中和”戰略規劃的開展，每個電廠都會經歷大型技改項目，應充分考慮技改過程中重大部件施工的合理性，建立安全質量責任約束機制，提高安全風險意識，加強施工過程監督管理。