鍋爐高再進口集箱管座焊縫開裂分析及處理

崔體磊，王宇冬

（國能陳家港發電有限公司，江蘇 鹽城 224631）

1 設備概況

國能陳家港發電有限公司2×660 MW 燃煤發電機組鍋爐為上海鍋爐廠生產的超超臨界參數變壓運行直流爐，四角切向燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架的π 型直流爐。鍋爐型號為SG-2037/26.15 M626 型。高溫再熱器共82 排，每排10 管圈；集箱管接頭兩種規格，分別為φ63.5×4.5mm 和57.2×4.5mm；高溫再熱器進口集箱及其管接頭材質均為12Cr1MoV，累計運行56000h[1]。

2 檢查情況

2019 年9 月1 號機組C 修時，專業人員檢查發現1-1（01 排01號，以此類推）、2-2、3-3 管座角焊縫正上方存在裂紋，1-1、1-4、82-5 管接頭焊縫正上方存在裂紋。電廠隨即組織了相關技術人員進行了專題會商，并將兩處管接頭（1-1、82-5）取樣進行裂紋原因分析。圖1 為管接頭1-1 開裂位置現場照片，1-1 和82-5 材質均為12Cr1MoVG，規格分別為φ63.5×4.5mm、φ57.2×4.5mm。

3 檢驗分析

3.1 宏觀檢查

兩開裂管段裂紋形貌基本相同，均沿焊縫熔合區環向開裂，將兩管段縱向剖開后，對裂紋及內外壁宏觀檢查如圖2、圖3 所示。兩接頭管宏觀上無明顯的脹粗、變形或吹損等特征。兩管段內外壁未見明顯的宏觀焊接缺陷，焊縫周邊也未見明顯的腐蝕跡象。管1-1、82-5 外壁和內壁測得的裂紋長度分別約75 mm（1-1 外壁）、52mm（1-1 內壁）、62mm（82-5 外壁）和53mm（82-5內壁），外壁裂紋長度明顯大于內壁側。

根據上述宏觀檢查結果，對兩送檢的開裂管段取樣進行試驗分析，取樣方案如圖4 所示，管82-5 取樣方案相同。

3.2 力學性能測試

表1 管接頭試樣維氏硬度測試結果/HV10

3.3 金相檢驗

圖5 為1-1-J1、82-5-J1 斷口截面微觀形貌。兩斷口截面形貌相近，斷口均位于熱影響區的粗晶區，表面均明顯氧化，晶粒無明顯的塑性變形特征；斷面局部位置均有少量的沿晶二次裂紋出現，且二次裂紋內部充滿氧化皮。在斷口截面近外壁側和近內壁側位置分別觀察，通過兩斷口截面近外壁側與外壁的交界處氧化皮的分層形貌及氧化層厚度可以看出，斷口的開裂時間相對較早。

圖6 為試樣1-1-J1、82-5-J1 斷口附近焊縫及斷裂側母材微觀組織形貌照片。焊縫組織均為先共析鐵素體+貝氏體，焊縫內未見有氣孔、夾渣、微裂紋等缺陷，且焊縫與開裂側母材熔合良好，未見熔合線處存在氣孔、未熔合等缺陷；母材組織均為鐵素體+貝氏體，組織正常，貝氏體形態尚為清晰，組織老化較為輕微。

圖7 為裂紋尖端取樣1-1-J3、82-5-J3 裂紋微觀形貌照片。兩試樣裂紋均位于熱影響區的粗晶區，主裂紋尖端出現局部的分叉現象，裂紋在各個擴展階段均以沿晶形貌擴展，且裂紋內部有較厚的氧化層，裂紋尖端及二次微裂紋內部也充滿氧化層，表明裂紋形成時期較早，且擴展速度較慢。

4 原因分析

通過對送檢管段各項理化性能檢驗，對檢驗結果綜合分析如下：

（1）兩管接頭宏觀上無明顯的脹粗、變形或吹損等特征，裂紋形貌基本相同，沿焊縫熔合線環狀開裂，且外壁側裂紋長度大于內壁側。管段縱向剖開后，內外壁均未見明顯的宏觀焊接缺陷，焊縫周邊也未見明顯的腐蝕跡象。由此可見，管接頭焊縫開裂的主要原因并非過熱、宏觀焊接缺陷或腐蝕所致。

（2）兩開裂管焊縫硬度值明顯高于開裂側母材硬度值，1-1、82-5 焊縫硬度較高位置硬度值分別達261HBW、281HBW。根據DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》規定，“同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100HBW，且不超過下列規定：合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW”，1-1-J3 試樣的焊縫硬度（261HBW）接近兩側母材平均硬度值（161.5HBW）加100HBW（261.5HBW），82-5-J2、82-5-J3 焊縫硬度值超出上限270HBW 的規定。焊縫硬度過高反映出接頭內部可能存在較高的殘余應力。

（3）兩個管接頭試樣焊縫組織均為先共析鐵素體+貝氏體，焊縫與母材熔合良好，未見焊縫及熔合區有夾渣、氣孔等缺陷，母材顯微組織為鐵素體+貝氏體，組織球化級別相對較輕，未見明顯異常。

（4）兩管段裂紋形貌基本相同，裂紋位于熱影響區的粗晶區，主裂紋邊緣存在少量的二次裂紋，裂紋均以沿晶形貌擴展，且主裂紋和二次裂紋內部均充滿氧化層，裂紋形貌符合12Cr1MoVG 再熱裂紋的典型形貌特征。通過裂紋表面氧化皮的厚度及形貌判斷，裂紋開裂時間較早，并發生了緩慢擴展。通過斷口及二次裂紋走向可以判斷，裂紋為外壁啟裂，向內壁側擴展。

（5）12Cr1MoVG 鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區間為500℃～700℃，部件在焊后熱處理或長期處于該溫度區間運行，且部件內部存在較高的應力時，則易在焊接熱影響區的粗晶區開裂。送檢的兩開裂管段運行溫度約540℃，處于12Cr1MoVG鋼再熱裂紋形成的敏感溫度區間，且焊縫位置可能存在較高的焊接殘余應力，加之鍋爐運行時溫度的波動、汽水的沖擊振動等都會引起焊接接頭位置應力集中，因此，兩焊接接頭滿足再熱裂紋形成的溫度和應力條件。

（6）綜上可以看出，本次焊縫開裂的性質為再熱裂紋，其產生原因與12Cr1MoVG 鋼本身的焊接特性、焊縫硬度過高產生的殘余內應力、鍋爐啟停和調峰時溫度波動及運行時汽水振動引起的接頭內應力等多種應力因素有關，并長期在再熱裂紋產生的敏感溫度下運行，最終引起再熱裂紋在焊接接頭的粗晶區形成并擴展，導致焊縫開裂。

5 處理方案

5.1 管座角焊縫裂紋修復

（1）在集箱角焊縫直管側下切口位置，對原集箱裂紋角焊縫處采用機械切割，對管座原有焊縫全部磨除，并對管座內邊緣進行打磨（磨內角），坡口角度30°左右，同時坡口范圍內10mm～15mm 內全部清理干凈，并對其進行PT 檢測。

（2）對新領用的管接頭直管（光譜檢驗合格）上下兩端坡口打磨，坡口角度30°～35°。

（3）對管座及下方對接進行點焊，點焊前對口間隙應在2mm～2.5mm 范圍內，同時確保點焊前焊縫不得強制對口。

（4）采用氬弧打底，電弧焊填充、蓋面焊接工藝。施焊前的預熱溫度推薦為：150℃～250℃（填充）。各預熱溫度力求均勻，采用火焰加熱方法進行。

（5）為保證后一焊道焊縫對前一焊道焊縫起到回火作用，焊接時每層焊道厚度的控制為不大于焊條直徑（對于12Cr1MoVG鋼焊層厚度一般控制在4mm 以下）。焊道寬度不得超過焊條直徑的3 倍。

（6）焊接中應將每層焊道接頭錯開10mm～15mm，焊縫接頭過渡要平滑，便于清渣和避免出現“死角”。

（7）焊接完成后，應立即對其進行火焰熱處理，加熱過程中利用熱成像儀進行溫度監測，加熱完成后對其進行保溫包敷緩冷至常溫。熱處理工藝：加熱方法：火焰加熱；升溫速度：≤140℃/h；加熱寬度：≥100mm；恒溫溫度：670～700℃；恒溫時間：10min；保溫層寬度：≥150mm；保溫層厚度：≥50mm。

5.2 管接頭裂紋修復

對管接頭裂紋焊縫采用機械切割，將原焊縫全部磨除，重新打好坡口后進行氬弧焊接，注意避免強制對口。

6 結論

（1）根據取樣檢驗結果以及現場檢查情況，機組啟停爐以及調峰等負荷變化時高再進口集箱與其管屏膨脹位移不協調，使其管座角焊縫管側焊趾和管接頭焊縫焊趾處存在交變的應力作用并產生疲勞損傷是此次焊縫開裂的外部誘因和主要原因。

（2）根據取樣檢驗結果，送檢焊縫硬度較高，焊接規范大，焊后殘余應力較大；同時，焊縫長期在再熱裂紋產生的敏感溫度下運行，可判斷焊縫硬度超標以及長期在敏感溫度下運行是其開裂的內因和次要原因。

（3）根據現場實際情況，本次處理采用了火焰加熱方法進行了焊前預熱和焊后熱處理，能夠滿足焊接要求；焊縫金屬無損檢測合格，硬度檢測結果正常。