主蒸汽管熱電偶保護套管裂紋原因及在線修復

余文斌，王佑

(國電開遠發電有限公司，云南 開遠 661601)

0 前言

某主蒸汽管測溫熱電偶套管角焊縫裂紋發生微漏，需要從危險狀態、裂紋成因、工期緊、現場條件受限等幾方面綜合分析，探索既能解決現場難以充氬焊接，又能滿足設計使用要求的工藝方法，模擬試驗制定出在線修復方案。

1 測溫熱電偶套管裂紋

停機對主蒸汽管測溫熱電偶套管角焊縫微漏區域打磨清潔進行著色檢查，其裂紋皆發生在靠主蒸汽管母材一側的整圈焊縫熔合線上，未向主蒸汽管母材延伸。

圖1 主蒸汽管道熱電偶套管座原安裝形式

1.1 結構因素

測溫熱電偶套管與主汽管內孔根部間隙只有2 mm，直接插入主蒸汽管內焊接，是一個焊不透且剛性大的焊接結構，主蒸汽管測溫熱電偶套管座原安裝結構見圖2 所示。

選用焊條(不銹鋼)電弧焊，鈍邊厚度大，根部間隙小，幾乎未修坡口，形成了一個封閉環形的凹坑狀焊接區域，使焊條電弧焊操作難度加大，且很難焊透，很容易產生根部未熔合、夾渣及氣孔，此加工結構為裂紋的產生和擴展創造了條件。

該套管座角焊縫由于形狀的不連續性，結構拘束度大，套管在管內承受高速流動的高溫高壓蒸汽介質作用，使其產生一定的振動，應力疊加值最大的位置在焊縫根部，所以裂紋先在焊縫根部產生，然后在振動應力的作用下沿著焊縫內部的薄弱點逐漸擴展并延伸到焊縫的表面。

1.2 異種鋼焊接因素

主蒸汽管 SA335 P91 鋼與熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼是異種鋼焊接，由于兩者化學成分、物理性能、力學性能和工藝性能均不同，這就產生了與焊接同一種金屬所不同的新的問題:

1)熔合區存在一個窄的低脆性交界層，寬度為0.2～0.6 mm，其化學成分和組織不同于焊縫;它的存在嚴重降低了接頭的沖擊韌性。

2)熔合區的碳擴散，當接頭在高溫下長期工作時，其熔合區附近會發生碳的擴散現象，結果在靠近熔合區的鐵素體耐熱鋼母材上形成了一層脫碳軟化層，在奧氏體焊縫一側產生了與脫碳層相對應的增碳硬化層，實踐證明，脫碳層是接頭中的薄弱環節，對高溫持久強度的影響較大，約降低10%～20%，易于在低合金側熔合線處產生裂紋，與現場情況印證吻合。

3)熔合區的熱應力，奧氏體鋼熱膨脹系數比珠光體大30%～50%，而熱導率卻只有珠光體耐熱鋼的50%左右，兩者熱膨脹系數與導熱系數相差較大;因此該類接頭在交變溫度運行中將會產生很大的熱應力，這亦是接頭破壞的原因之一。

4)熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼的熔敷金屬(焊接接頭)不適用于超聲波檢測、超聲衍射時差檢測或磁粉檢測，難以準確判定焊接質量。

綜上所述，對于SA335 P91 鋼主蒸汽管與不銹鋼熱電偶保護套管的異種鋼焊接，熱電偶套管座替用與管道同材質的焊接施工方案無疑是最可靠的，它同時滿足了溫度、壓力、焊接及檢測等質量方面的要求。

2 修復方案

2.1 清除裂紋

1)對熱電偶套管座角焊縫及附近主蒸汽管母材表面清理干凈，進行光譜分析，復核原用材質是否符合設計要求;硬度檢驗，實測原主蒸汽管母材HB167，熔合區HB183，焊縫HB186，以便修復前后硬度值對比。

2)用著色檢測確定裂紋的位置走向，沿著裂紋走向采用電鉆頭或合金磨頭清理，直至原套管座焊縫裂紋全部清除，清除過程中應防止主蒸汽管母材坡口擴大，以便減少填充的熔敷金屬。

3)該套管座焊縫只挖至18 mm 深度時，整個套管連其焊縫就一同被取出，套管根部與主蒸汽管內孔臺階處焊縫幾乎未熔合。

4)對原主汽管測溫開挖孔的插入臺階φ42 mm 孔邊打磨成45°喇叭斜面，φ42 與φ62 孔相接處圓滑過渡，φ62 孔邊坡口角15°，修磨坡口盡量保證氬弧槍不受阻礙施焊，形狀見圖5。

5)再次著色檢查原主蒸汽管測溫管孔坡口面及其周圍50 mm 以上區域，確認無裂紋存在。

2.2 焊接工藝

1)工藝采用全氬焊，焊接設備選ZX7－400B時代逆變焊機，采用直流正接法。

2)裝配定位，更換熱電偶套管 (替用SA335 P91 鋼)插入原主蒸汽管內孔深度100 mm，復核插入臺階φ42 mm 孔邊喇叭斜面不阻礙氬弧槍施焊，否則繼續修磨。為防止焊縫根部金屬氧化，由于主蒸汽管道已安裝在役使用，此時管道內部也不便充氬，故在裝配前，應將免充氬保護劑涂在坡口根部的內表面以及熱電偶焊接根部表面。裝配過程中，注意防止套管直接滑入主蒸汽管內，裝配見圖5;符合裝配尺寸要求后，采用氬弧焊工藝在時鐘2、9 點兩處點焊10 mm定位，并仔細檢查定位焊質量。

3)預熱，采用WK－Ⅰ型電腦恒溫溫控裝置電加熱預熱，升降溫速度≤150℃/h;使用20m繩式加熱器對主蒸汽管道外覆硅酸鋁保溫進行包扎，加熱寬度≥280 mm，測溫點布置在管孔對側管壁，留出的圓形φ90 mm 焊接區域暫先用石棉布遮蓋;考慮到焊接結構拘束度大，熱電偶管孔和管道存在的溫差，適當電預熱管孔對側管壁溫度至230～250℃，恒溫10 min，掀開石棉布，再用紅外線槍監測管孔，使其溫度達130℃時，斷開電加熱電源，即可進行氬弧焊封底焊。

圖2 主蒸汽管道熱電偶套管座安裝形式

4)焊接參數為電弧電壓10～14V，焊接電流90～125 A，保護氣體流量8～10 L/min，焊接速度50～80 mm/min。

封底焊要確保根部焊透，焊接過程中，層間溫度保持在200～250℃之內，使用多層多道全氬焊，單層焊道的厚度宜薄不宜厚，最厚不超過2.7 mm;焊絲粘滯性大不易疏散，擺動寬度不宜超過6 mm，每次堆焊長度不宜超過50 mm，焊縫表面溫度待冷到200℃時再繼續施焊，注意不得同時在一處收頭，每層接頭錯開10～15 mm，收弧時填滿弧坑;專工現場旁站監督全過程。

焊后管座角焊縫處飽滿，主蒸汽母管側焊腳高度控制在12 mm 以上，使角焊縫與主蒸汽管軸向的角度為30°以下，平緩過渡到母材，不允許咬邊。

焊工要仔細檢查每層焊縫的質量，整個熱電偶套管座角焊縫持續施焊，實際用時3 小時，然后用硅酸鋁保溫棉對其焊縫保溫緩冷。

5)焊后應立即進行熱處理，先使焊縫緩冷至100～120℃，恒溫90 min，讓殘留奧氏體充分轉變為馬氏體，然后馬上升溫做焊后熱處理，升、降溫速度以不高于120℃/h 為宜，回火溫度750～770℃，恒溫時間4 h;降溫時，300℃以下冷卻速度可不控制;SA335 P91 鋼焊接及熱處理過程工藝規范曲線如圖3 所示;

圖3 SA335 P91 鋼焊接及熱處理過程工藝規范曲線圖

采用電加熱，對主蒸汽管道的熱電偶溫度管座置于兩股20 m 繩式加熱器中間，外覆硅酸鋁保溫進行包扎，加熱寬度≥350 mm，保溫厚度同樣不小于350 mm。最后進行質量檢測。

3 結束語

綜上所述，主蒸汽管SA335 P91 鋼與熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼形成異種鋼焊接，熱電偶套管座替用與管道同材質的焊接施工方案最可靠的。

［1］于進云，張家剛P91 主蒸汽管道熱電偶插座裂紋分析及在線修復.焊接雜志社.2008 年第8 期焊接47－48

［2］葛兆祥主編焊接工藝及原理.中國電力出版社.1997 288－289

［3］郭延秋主編金屬與焊接分冊.中國電力出版社.2003 273－274