主蒸汽管焊縫裂紋原因分析及處理

趙坤

主蒸汽管焊縫裂紋原因分析及處理

趙坤

（大唐石門發電有限責任公司 湖南常德 415300）

本文對火力發電廠主蒸汽管焊縫裂紋產生原因進行了分析，制定了主蒸汽管焊縫裂紋處理方案，為主蒸汽管焊縫超標缺陷的處理提供參考。

主蒸汽管；焊縫：裂紋；修復

前言

主蒸汽管道、再熱蒸汽熱段管道、再熱蒸汽冷段管道和主給水管道是火力發電廠最重要的四條管道，簡稱“四大管道”，其中主蒸汽管道是連接鍋爐末級過熱器出口聯箱和汽輪機進口主汽門用于輸送高溫、高壓蒸汽的重要壓力管道，一旦主蒸汽管道出現異常，將直接威脅主設備及人身安全，甚至可能導致群死群傷事件發生，因此火力發電廠應高度重視主蒸汽管道在內的四大管道的金屬技術監督工作，確保其安全可靠運行。下面結合大唐石門發電有限責任公司#1機組主蒸汽管道焊縫裂紋產生的原因及處理方案進行介紹。

1 概況

2016年05月14日，#1機組C級檢修，公司設備部金相室會同湖南電科院金屬室開展了主蒸汽管道焊縫的金屬檢驗工作，在對#1機組主蒸汽管#9焊縫進行超聲波檢查時，發現兩處超標缺陷，缺陷1在爐前往爐后看約2點半位置，缺陷最大當量深度位于37.8mm，指示長度80mm，反射當量φ3×40+5dB，距焊縫中心偏下約12mm，按《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》（DLT820-2002）標準評為Ⅳ，不合格；缺陷2在爐前往爐后看約9點位置，缺陷最大當量深度位于60mm，指示長度20mm，反射當量φ3×40+1dB，距焊縫中心偏下約5mm，按《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規程》（DLT820-2002）標準評為Ⅳ，不合格。

現場#9焊縫位置圖及缺陷示意圖如圖1所示。

圖1 #9焊縫位置圖及缺陷示意圖

查閱臺賬，#1機組主蒸汽管道材質為SA335-P22，#9焊縫處主蒸汽管道規格為φ534.5×83.1mm，截至2016年04月31日，#1機組運行小時數為101032.97h。對該焊縫及附近的母管材質進行光譜成分定量分析未發現異常，焊縫硬度及母材硬度均在合格范圍內。

2 裂紋產生原因分析

查閱公司2010年1號鍋爐定期檢驗技術報告，對主蒸汽管#9焊縫進行了超聲波檢查，未發現記錄缺陷，檢驗合格。

查閱公司2012年1號鍋爐定期檢驗技術報告，對主蒸汽管#9焊縫檢查發現了一條超標缺陷和一條記錄缺陷，其中超標缺陷最大當量深度位于59.6mm，指示長度20mm，反射當量φ3×40+0.6dB，位置從爐前往爐后俯視9點鐘，距焊縫中心偏彎頭側5mm，按標準評為Ⅳ，不合格，建議監督運行；記錄缺陷最大當量深度位于38.1mm，指示長度5mm，反射當量φ3×40-4.3dB，位置在從爐前往爐后俯視2點鐘，距焊縫中心偏彎頭5mm，按標準評為Ⅰ級，合格。

針對圖1所示的缺陷1產生的原因進行重點分析，通過2010年、2012年和2016年三次超聲波檢查的結果可以看出，#9焊縫內部缺陷呈逐漸惡化的趨勢。

查閱#1機組主蒸汽管道原始安裝支吊架冷、熱態設計位移值，見表1。

表1

（1）坐標系約定如下：從始建端（1號機組）指向擴建端（2號機組）方向為X正方向；從鍋爐向汽輪機方向為Z正方向；垂直向上為Y正方向，坐標系如圖2所示。

（2）單位的規定：ΔX/ΔY/ΔZ 表示三向位移，單位為 mm。

圖2

通過對#1機組主蒸汽管道原始安裝支吊架冷、熱態設計位移值的對比，我們可以發現，從#5雙拉桿彈簧吊架至#14雙拉桿彈簧吊架共10個支吊架在X、Y和Z方向均出現較大的熱冷態位移差，反映了機組啟停過程中主蒸汽管存在較大的位移變化。

通過對#1爐主蒸汽管道支吊架進行冷態發現，#3雙拉桿剛性吊架存在斜度過大的現象，偏斜角度大于5°，#7雙拉桿恒力吊架指針指示接近極限位置，反映了#1機組主蒸汽管系有明顯下沉現象。

查閱#1機組2000年至2016年5月啟停臺賬，形成表2。

表2 #1機組年啟停次數表

從表2可以反映了#1機組啟停次數相當頻繁。

通過對#1機組主蒸汽#9焊縫歷次金屬技術監督檢驗、主蒸汽管系支吊架的檢查以及#1機組啟停次數資料的收集，初步可以確定#1機組主蒸汽管道#9焊縫裂紋產生原因為：#1機組主蒸汽管道支吊架存在偏斜、吊架指針指示接近極限位置的現象，整條管系下沉明顯，管系支吊架的失效，管系結構的變化，導致管系的應力狀態發生變化，#9焊縫剛好位于整條管系Y、Z方向限位點下方的第一條焊縫，導致該焊縫在管系中處于應力集中部位，在機組頻繁啟停過程中，該焊縫存在較大的應力集中，金屬材料內部缺陷逐漸長大，最終發展成#9焊縫超標缺陷。

3 裂紋處理

3.1 P22材質焊接性能分析

合金鋼材質ASTM-A335P22，發電廠高溫高壓管道材料。P22用于連接管道，P22與德國10CrMo910相當，P22屬于ASTMSA335高溫用無縫鐵素體合金鋼管。

根據其化學成分含碳量小于0.15%，含Cr、Mo等合金較多，決定了其焊縫及熱影響區淬硬及冷裂傾向的焊接性能。加上管道管徑大管壁厚在焊接過程中會產生較大應力會加大熱影響區冷裂傾向，使焊接性能較差，為此注意焊接過程中線能量的控制，避免大線能量的輸入。

另外當焊縫中擴散氫含量過高時，由于淬硬組織和擴散氫作用常在焊縫中出現焊接冷裂紋，對此焊接時必須采用低氫型焊材加上適當線能量和預熱、后熱等措施避免淬硬及焊接冷裂紋的發生。采用焊前預熱、焊后熱處理、多層多道、低氫焊材、小線能量、兩人對焊。

根據焊接規程選用與A335P22母材匹配的焊接材料，焊絲采用R40，規格 φ2.4mm，焊條采用 R407，φ3.2mm（蓋面）和 φ4.0mm（填充）兩種規格。

3.2 處理工序

（1）將主蒸汽管道#9焊縫后的#5雙拉桿彈簧吊架限位固定牢靠，并標記原始支吊架彈簧位置；同時對主蒸汽管道進行固定，確保#9焊縫超標缺陷處理過程中，管道不發生X、Y、Z方向移動。

（2）利用環形管道切割機沿管道焊縫位置進行切割，加工出U型坡口，先將焊縫切割至37.8mm深，使用表面無損檢測手段進行缺陷1位置超標缺陷的檢查，確認超標缺陷性質。當切割至缺陷1位置，肉眼可見該超標缺陷形貌，呈長條形氣孔，將該缺陷繼續打磨至肉眼不可見時，使用磁粉探傷檢查發現焊縫存在斷續裂紋，最終確定該焊縫超標缺陷為裂紋，將缺陷1缺陷記錄完畢后，環向打磨機繼續挖至焊縫60mm深位置，處理缺陷2超標缺陷，經滲透探傷檢查發現，缺陷2為一體積型缺陷，且有一定的長度。

（3）確定缺陷2位置后，環向切割機繼續挖進3mm，最終對#9焊縫進行全面的超聲波檢查及表面無損探傷，確認#9焊縫超標缺陷徹底清除后，對坡口表面及管壁進行清理，打磨光滑，坡口內壁圓滑過渡，坡口邊緣20mm內母材無重皮、毛刺及坡口無破損，露出金屬光澤。

（4）焊前采用柔性陶瓷電阻加熱器進行預熱，熱電偶應布置在加熱區以內，并必須保證熱電偶的熱端與焊件接觸良好。同時，還應使用紅外測溫儀實時監測坡口處的溫度。預熱溫度200～300℃，升溫速率為75℃/h。焊接時確保層間溫度不低于200℃，且不高于300℃，加熱寬度不得小于335mm，布置兩只熱電偶。

（5）開始焊接采用 R407，φ3.2mm 焊條焊接，電流 80～130A，直流反接，電弧電壓20～25V，焊接速度150～180mm/min，焊一層；接下來焊接采用采用R407，φ4.0mm焊條填充焊接，電流150～180A，直流反接，電弧電壓25～30V，焊接速度180～220mm/min，將坡口填充完畢，預留蓋面焊；蓋面采用R407，φ3.2mm焊條焊接，電流80～130A，直流反接，電弧電壓20～25V，焊接速度150～180mm/min；焊接時焊條不擺動、每層焊道的厚度不大于焊條直徑，焊縫層間清理、缺陷處理均采用機械打磨，徹底清理焊渣及飛濺，每層焊道接頭應錯開10～15mm，同時應盡量使焊道平滑過渡，便于清渣和避免漏焊，為減少焊接變形和接頭缺陷，采取兩人對稱焊，兩人不得在同一處收頭，填充蓋面時焊縫與母材應圓滑過渡、收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好。

（6）焊接過程中，金屬技術監督人員或焊接技術人員應旁站，全過程對焊接過程進行管控，監督焊口作業人員嚴格按技術方案及標準規范的要求操作，發現問題，及時整改。

（7）焊接完成后應立即進行焊后熱處理工作，熱處理溫度：720～750℃，恒溫時間：4h；升降溫速度：≤75℃/h，當降溫速度過慢時，可適當減少保溫棉，溫度降至300℃以下時，可不控制。布置至少2只熱電偶，1只布置在焊縫中心，其他布置在距焊縫50mm范圍內。

（8）熱處理完畢，對焊縫進行超聲波檢測和表面無損檢測，焊縫硬度檢測布氏硬度值不得大于母材100HBW且不得大于300HBW。焊后檢查發現，#9焊縫超聲波檢查合格，焊縫硬度及母材硬度均在合格范圍。

4 總結

（1）通過對#1機組主蒸汽管道#9焊縫超標缺陷產生的原因分析以及超標缺陷的定性、處理，反映了金屬技術監督工作的重要性，通過開展金屬技術監督工作，有效地提高火力發電廠重要設備、承壓部件的安全可靠性，防止發生重要設備損壞及預防人身傷害事件。

（2）通過對#9焊縫超標缺陷的原因分析可以看出，管道支吊架是保障管道安全穩定運行的重要部件，嚴格按照《火力發電廠汽水管道與支吊架維修導則》以及《防止電力生產事故二十五項重點要求》開展支吊架定期檢查，對運行時間達到100000h的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道的支吊架應進行全面檢查和調整。

（3）此次#1機組#9焊縫超標缺陷的處理過程嚴格按工藝要求和操作規范進行，處理效果良好，運行正常，在下次檢修時，針對性地對該焊口進行復查，以確保修后質量。

TG40

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1004-7344（2016）27-0239-02

2016-9-14

趙 坤（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事金屬技術監督等工作。