循環(huán)流化床鍋爐汽包焊縫裂紋淺析與修復(fù)對(duì)策

李 偉

（中國(guó)石化茂名石化分公司熱電分部動(dòng)力一車間，廣東茂名 525011）

0 引言

鍋爐汽包是火力發(fā)電設(shè)備中最重要的部件之一，由于其內(nèi)部過程復(fù)雜，結(jié)構(gòu)剛性大，工作壓力和溫度高，因而存在較大的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)組啟停過程中各項(xiàng)參數(shù)快速變化，汽包溫度、壓力不斷變化，加上汽包自身質(zhì)量、蓄熱能力大和存在各種接口，導(dǎo)致熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力更為復(fù)雜[1]。這些會(huì)使汽包產(chǎn)生裂紋，影響汽包的壽命，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。所以當(dāng)汽包產(chǎn)生裂紋缺陷時(shí)，需制定嚴(yán)格的裂紋修復(fù)工藝方案，確保裂紋消除。

1 汽包缺陷狀況分析

1.1 汽包缺陷概況

動(dòng)力廠煉油1#CFB（Circulating Fluidized Bed，循環(huán)流化床）鍋爐為美國(guó)福斯特惠勒（FW）公司制造，型號(hào)為FW-9.81/410-M004，設(shè)計(jì)負(fù)荷能力為410 t/h，設(shè)計(jì)壓力為12.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度為328℃。汽包規(guī)格Φ1524 mm（內(nèi)徑）×85.3 mm（壁厚）×11 582 mm（筒體長(zhǎng)），汽包封頭允許最小壁厚71.3 mm，汽包材料為SA299。

2014年6月，對(duì)1#CFB鍋爐汽包進(jìn)行內(nèi)檢。經(jīng)MT（Magnetic particle Testing，磁粉檢測(cè)）和 PT（Penetrant flaw Testing，滲透檢測(cè)）檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)汽包南側(cè)封頭與筒體間的環(huán)焊縫處有2條裂紋。裂紋的位置在環(huán)焊縫靠近封頭側(cè)，一條長(zhǎng)22 mm，另一條長(zhǎng)14 mm。2條裂紋位置接近，沿焊縫呈縱性延伸。

1.2 裂紋缺陷形成的可能性

1.2.1 制造缺陷的可能性

由于是在檢修過程中對(duì)汽包內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)汽包裂紋的，而且位置處于汽包內(nèi)部，正常運(yùn)行時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備這一缺陷。同時(shí)，汽包用鋼為SA299中碳錳硅鋼，在焊接過程中有淬硬和冷裂傾向，因此該缺陷有可能是在汽包制造過程中產(chǎn)生的，在焊縫內(nèi)部已形成了隱性裂紋。該鍋爐已連續(xù)運(yùn)行5 a，在不斷的啟停爐以及負(fù)荷變化中，隱性裂紋擴(kuò)展至表面。

在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，汽包裂紋部分材料中的碳化物球化，珠光體的區(qū)域形態(tài)消失，球狀的碳化物則聚集在鐵素體的晶界上成為部分鏈狀組織，導(dǎo)致鋼的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度下降。由于運(yùn)行工況變化和水位測(cè)量控制技術(shù)的局限，汽包水位可能在汽水界面波動(dòng)，汽包表面交替出現(xiàn)冷熱變化，從而形成較大的交變熱應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞裂紋破壞并且在啟動(dòng)過程中水位線處的熱應(yīng)力最大，與水位線處熱應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致[2]。在啟停爐過程中，水位自動(dòng)控制解列，由操作人員手動(dòng)控制，但在啟停鍋爐的過程中，由于床溫及汽水平衡的不穩(wěn)定，汽包水位波動(dòng)范圍較大，導(dǎo)致汽包的熱應(yīng)力變化波動(dòng)較大。從操作記錄可以查詢到，正常水位應(yīng)控制在（-20～+20）mm，啟停爐時(shí)水位波動(dòng)稍大，但水位的控制點(diǎn)依然是+15 mm左右。這也正好是裂紋的產(chǎn)生區(qū)域。

自投產(chǎn)以來，1#CFB鍋爐累計(jì)正常開爐10次，正常停爐6次，非計(jì)劃停爐3次。2014年5月28日14:30，由于煉油廠區(qū)晃電，造成1#CFB鍋爐跳停，并且電力系統(tǒng)未能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，致使鍋爐未能及時(shí)恢復(fù)，導(dǎo)致汽包壓力、溫度急劇變化。15:30，送電以后重新快速啟動(dòng)1#CFB鍋爐。20:30，由于廠區(qū)再次晃電，造成1#CFB鍋爐再次跳停，電力系統(tǒng)也未在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，致使鍋爐再次未能及時(shí)恢復(fù)，導(dǎo)致汽包壓力、溫度連續(xù)2次在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化。這2次事故導(dǎo)致汽包水位、壓力、溫度頻繁變化，汽包內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)出現(xiàn)頻繁變化。這極大可能使應(yīng)力最大處即現(xiàn)有裂紋處產(chǎn)生裂紋缺陷[3]。

2 汽包裂紋修復(fù)對(duì)策

2.1 修復(fù)前期準(zhǔn)備

（1）對(duì)所有可疑部位進(jìn)行磁粉（MT）及超聲波（Ultrasonic Testing，UT）檢測(cè)，對(duì)存在裂紋部位進(jìn)行定位，在裂紋附近用記號(hào)筆清洗標(biāo)注。

（2）對(duì)存在裂紋處的母材進(jìn)行厚度測(cè)定，做好記錄，并用記號(hào)筆標(biāo)注與裂紋處進(jìn)行厚度測(cè)定。

（3）對(duì)母材區(qū)域表面進(jìn)行硬度測(cè)試，并記錄數(shù)值。

（4）對(duì)裂紋區(qū)進(jìn)行消氫處理。采用電加熱帶對(duì)裂紋區(qū)進(jìn)行包扎，覆蓋好保溫棉，進(jìn)行350℃的恒溫2 h消氫處理。

2.2 缺陷清除步驟

（1）采用砂輪機(jī)對(duì)所有缺陷部位進(jìn)行機(jī)械清理并打磨至與母材圓滑過渡。當(dāng)焊縫裂紋打磨至5 mm深時(shí)，對(duì)焊縫表面進(jìn)行著色后，發(fā)現(xiàn)上面較長(zhǎng)裂紋仍然存在。

（2）進(jìn)行表面PT和MT檢測(cè)，直至清除所有超標(biāo)缺陷，并征得鍋爐特檢院部門的確認(rèn)。當(dāng)焊縫裂紋打磨至12 mm深，對(duì)焊縫表面進(jìn)行著色后，裂紋消失。裂紋清除完畢后，依照裂紋凹槽的大小，自然的將凹槽修磨成U形坡口的形式，坡口周邊要圓滑過渡，坡口周圍100 mm范圍內(nèi)清除所有可能存在的銹跡及產(chǎn)生氣體的附著物并露出金屬光澤。

2.3 缺陷清除處測(cè)厚

對(duì)缺陷清除處的周圍進(jìn)行測(cè)厚，測(cè)厚點(diǎn)應(yīng)包括封頭母材和熱影響區(qū)、焊縫、筒體母材和熱影響區(qū)。

(3)由于半?yún)?shù)估計(jì)模型能夠兼顧“參數(shù)”和“非參數(shù)” 2類因素，因此能得到較為準(zhǔn)確的估計(jì)量，且采用半?yún)⒛Ｐ偷慕馑惴椒ū葌鹘y(tǒng)最小二乘法精度更高。

2.4 修復(fù)措施的確定

根據(jù)裂紋深度的不同確定是否需要補(bǔ)焊。依據(jù)測(cè)厚值，清除缺陷后的厚度小于所在位置圖紙要求的最小厚度時(shí)，為需要補(bǔ)焊處，用記號(hào)筆清晰標(biāo)出；厚度大于圖紙要求時(shí)，無需進(jìn)行補(bǔ)焊，但應(yīng)將該處打磨至與汽包母材圓滑過度（坡度＜1∶4）。由原制造圖紙獲得汽包殼體最小壁厚值（85.32 mm）及封頭最

小壁厚值（71.3 mm），汽包殼體與封頭焊縫最小壁厚值（73.32 mm）（圖 1）。

從測(cè)厚的情況可以看出，將裂紋打磨至裂紋消失后，裂紋區(qū)的厚度只有63 mm，小于圖紙要求的最小厚度，因此需要補(bǔ)焊打磨的裂紋區(qū)。

2.5 焊前預(yù)熱

圖1 汽包筒體與封頭處壁厚尺寸

施焊前，為防止焊縫和母材溫差太大，對(duì)需要補(bǔ)焊的位置進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，預(yù)熱至（100～150）℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境，由于裂紋在汽包內(nèi)部，不易放置電加熱帶，所以采用乙炔+氧氣火焰燃燒進(jìn)行加熱，采用中性火焰、中號(hào)烤把緩慢加熱，有利于施工操作。并用測(cè)溫槍嚴(yán)密監(jiān)測(cè)加熱溫度。

2.6 補(bǔ)焊處理

（1）根據(jù)修復(fù)措施，參照原制造廠提供的焊接工藝和焊接工藝說明書，編制汽包焊接修復(fù)工藝，焊接操作人員根據(jù)焊接修復(fù)工藝卡進(jìn)行焊接。

（2）補(bǔ)焊后立即采用電加熱帶進(jìn)行350℃恒溫2 h后熱處理，對(duì)焊縫進(jìn)行消氫。

（3）后熱處理后對(duì)所有缺陷部位（包括前述2.4小節(jié)要求無需補(bǔ)焊的部位）進(jìn)行表面（PT或MT）檢測(cè)，待所有修復(fù)部位合格后，將補(bǔ)焊部位打磨至與母材圓滑過渡。

2.7 焊后熱處理

（1）熱處理工藝參照原制造廠焊接工藝評(píng)定編制，熱處理操作人員按照熱處理工藝卡執(zhí)行。

（2）對(duì)于殼體環(huán)縫處補(bǔ)焊部位，采取整圈包扎進(jìn)行熱處理；加熱寬度≥140 mm，保溫寬度≥加熱寬度的1倍。

2.8 熱處理后的檢測(cè)

熱處理后，對(duì)所有原來存在缺陷的部位進(jìn)行UT及表面PT檢測(cè)：UT按JB/T 4730.3—2005，Ⅰ級(jí)合格；PT按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級(jí)合格。UT檢測(cè)結(jié)果、PT檢測(cè)結(jié)果均為合格。

3 結(jié)束語

鍋爐在長(zhǎng)期的啟停和變負(fù)荷運(yùn)行過程中，汽包長(zhǎng)期處于交變的熱應(yīng)力狀態(tài)，使低周疲勞裂紋萌生成為可能。裂紋大多位于汽包中汽水分界面附近，操作上應(yīng)嚴(yán)格操作規(guī)程，控制好汽包水位、上下壁溫差、汽包壓力，避免類似汽包裂紋情況出現(xiàn)。同時(shí)汽包SA299鋼的裂紋修復(fù)經(jīng)焊接、熱處理結(jié)束后進(jìn)行的UT及PT檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫補(bǔ)焊區(qū)及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，汽包經(jīng)水壓試驗(yàn)合格后開汽投用后運(yùn)行正常，表明采用上述汽包裂紋修復(fù)工藝對(duì)策的方法是切實(shí)可行的。