爐外聯箱上管座裂紋處理方案探討

陳 濤

（廣州迪森熱能技術股份有限公司，廣東 廣州510530）

0 引言

在國投欽州發電廠運行中的2臺1 025t／h亞臨界直流爐，該爐是W型雙燃燒室，過熱器分為5級，再熱器分為2級。聯箱上布置有就地和遠程壓力表管座，以及B、C 2種型號的熱電偶管座。2臺爐投產后，陸續發生爐外管座裂紋泄漏、高過出口右聯箱2個熱電偶管座與套管焊縫的熱影響區存在裂紋、SH5出口左聯箱遠傳壓力表管座與表管焊縫熱影響區在運行中斷裂等缺陷。本文將通過幾例典型裂紋的分析與處理，探討一下對于這種管座缺陷的處理方法。

1 管座開裂情況統計

機組投運以來管座開裂情況統計如表1所示。

表1 機組投運以來管座開裂情況統計

2 典型管座裂紋分析

2.1 案例 1（表中序號 5）

2000年11月，#1鍋爐5級過熱器出口聯箱上就地壓力表管座運行中開裂泄漏。

裂紋形貌：裂紋始裂于表管側熱影響區，焊口上半周形成張口狀。

原因分析：（1）存在結構應力：運行中管座隨聯箱、爐本體一起因熱脹冷縮上下移動，而壓力表管伸出保溫層及保溫鐵皮之外，位移受到一定的限制，致使產生了相當大的結構應力。（2）存在熱應力：主蒸汽溫度是541℃，金屬工作溫度應該在450℃以上，尤其在機組啟停及負荷變化時，熱應力也是不能忽視的。（3）始裂處正是多種應力的集中區域。（4）焊接熱影響區的組織、性能是整個焊接接頭的較薄弱地帶。但由于運行時間較短，不會存在組織惡化的情況。

難點分析：（1）距離聯箱太近，不方便動火處理，容易對聯箱造成負面影響。所以焊接時要盡量減小熱量輸入，焊后能不做熱處理就不做。（2）異種鋼焊接，F12本身焊接性極差，現場焊條件受限制，所以打磨堆焊層的目的只是為了消除微裂紋，千萬不能傷及聯箱本體，盡量多地保留原先的堆焊層作為焊接過渡層，減少異種鋼焊接的難度。

處理方案：（1）消除結構應力：把有可能阻擋壓力表管位移的保溫鐵皮挖去，并把表管自身打一個S彎，緩解了應力集中情況。（2）打光譜鑒定材質，與圖紙上設計相符：聯箱是F12（X20CrMoV121），管座是10CrMo910。管座與聯箱焊縫是NiCr15Fe的堆焊層。（3）焊接準備：磨去部分堆焊層，把原管座斷口打磨一下，再著色探傷，檢查確認無遺留微裂紋后再焊接。（4）焊接方法：采用手工電弧焊，選用抗裂性較好的不銹鋼焊條A507，?2.5，小電流、快速、多層多道焊，層間溫度控制在150℃以下。用紅外測溫儀監控。（5）質量檢查：焊接過程中，焊工隨時檢查焊接質量，確定無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷后，再焊下一道。最后再經表面滲透探傷合格。（6）效果：管座處理后至今已運行十年，每年檢查都狀態正常。（7）局限性：當時用的是手工電弧焊，如果用全氬弧焊，焊接線能量還會更好控制。

2.2 案例 2（表中序號 6）

2007年5月機組小修時，發現#1鍋爐4級過熱器出口導汽管上的溫度管座裂紋2處（分別位于爐前和爐后聯箱上），開裂情況都是在護套管與管座的焊縫上的微裂紋。

從處理難度上分析，與第一例非常相似，聯箱是F12的，管座也是F12的，護套是10CrMo910的。如果磨去裂紋，直接焊就行了。于是檢修人員就按原工藝方案進行處理，只是將手工電弧焊改成了全氬弧焊，同時把焊材由A507改成了TIG－R40。

檢修時，從裂紋形貌上看，感覺好像打磨一下就可以消除。然而經過第一次打磨、著色檢查，發現裂紋消失，可是等焊完再查，就發現新焊肉的邊上出現了裂紋痕跡；再打磨、復查、焊接、再查，還是發現新焊肉的邊上出現了裂紋痕跡。就這樣，反反復復，直到把所有的原始焊肉連帶部分熱影響區管座母材都磨去后焊接，才最終消除缺陷痕跡。

2.3 案例 3（表中序號 7）

2008年3月份#2機組小修，發現5級過熱器出口聯箱熱電偶管座裂紋一處。裂紋位置在管座與熱電偶護套焊縫上，管座是不銹鋼加CrNi過渡層，護套是10CrMo910。這處裂紋位置和形貌與第二例完全相同。此處缺陷的處理同第二例一樣，必須將管座母材的熱影響區磨去，才能焊接成功。

3 分析與總結

經過分析，發現出現以上問題的原因主要是不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕和疲勞問題。所謂晶間腐蝕就是沿焊縫金屬晶粒邊界發生的腐蝕破壞現象。產生晶間腐蝕的原因，一般認為是由于鋼中碳化鉻的析出造成貧鉻所致。不銹鋼一般都是高鉻鋼，450～850℃溫度范圍是不銹鋼晶間腐蝕的敏感溫度區。在該溫度區，不銹鋼中鉻原子易與碳化合，生成碳化鉻沿晶粒邊界析出，將使晶界附近基體中的含Cr量減少，電極電位降低，從而導致晶間腐蝕。所以制定焊接工藝時，就要小電流，快速焊，不預熱，減少焊接熱輸入量。焊后進行固溶處理，是防止不銹鋼產生晶間腐蝕的有效辦法。但這種固溶處理在安裝現場，尤其是小管座的焊接接頭不具備處理條件，一般是不做處理的。所以運行10年后，不銹鋼焊接接頭因晶間腐蝕，并在腐蝕的基礎上加速疲勞，最終使結構失效，是完全可能的。由此在缺陷處理的打磨過程中看到的“小紅點”應該是組織之間的孔洞或者是微裂紋的截面圖像，一旦焊接過程給予其一定熱能量，它們就會得到擴展，最終讓我們能夠看到明顯的“紅線”。

當然，無論是晶間腐蝕、應力腐蝕還是金屬的疲勞，他們都不是單獨存在的，而是相互關聯、相互影響、相互促進的。腐蝕會加速疲勞，疲勞會加快腐蝕的進程，最后導致金屬結構的失效。因此，運行10年后的爐外管座焊接接頭的裂紋產生的主要原因，不再是簡單的結構應力所致，而是組織與性能也發生了變化。

4 結語

通過多次的檢修及缺陷修復，得出以下經驗：（1）運行10年以上的鍋爐爐外管座焊接接頭，因晶間腐蝕、應力腐蝕、組織疲勞等，已經開始失效。（2）爐外儀表管座必須作為金屬監督的重點，至少每年全面檢查一次。（3）對運行10年以上的不銹鋼管座焊縫更應該加強監督檢查。一旦發現微裂紋，要徹底去除原焊縫，甚至一定厚度的管座本身（也即是原先的熱影響區）。對于開裂嚴重，繼續發展可能會傷至聯箱本體的，可以考慮更換整個管座。

［1］林棟梁，吳建生，楊正瑞，等.應力腐蝕裂紋亞臨界擴展的形態研究——兼評裂紋尖端的塑性區［J］.金屬學報，1981（6）