低壓鍋爐制造中汽包環焊縫熱裂紋的探討

洪銘建(廣東省特種設備檢測研究院揭陽檢測院，廣東 揭陽 522021)

0 引言

鍋爐汽包內部結構以及流程都十分復雜，因為鍋筒壁厚、剛性大，在高壓力以及高溫度梯度場的作用下會出現較大的內應力，工作條件十分惡劣。在鍋爐機組異常開啟、停止過程中各項參數變化浮動較大，異常停車狀況更加劇烈，這時候汽包壓力以及溫度不斷變化交替，同時受到多種不同規格的管道接口、蓄熱能力以及自重等因素的影響，都會使氣泡產生裂紋，嚴重影響到氣泡使用壽命。因此，通過加強對汽包環焊縫熱裂紋修復工藝的研究，消除裂紋增加氣包使用壽命，確保機組的安全運行具有十分重要的意義。

1 汽包裂紋類型

汽包裂紋(圖1)要包括：熱裂紋、冷裂紋以及再熱裂紋三種類型，其中低壓鍋爐制造過程中主要是熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋主要是因為受到高溫的影響，其溫度無法預測，但是因為裂紋表面的氧化，并且裂縫里面充滿了熔渣，溫度一般都1200℃左右，因為熔渣凝固溫度低于1000℃。冷裂紋是低合金鋼焊接的主要問題，從材料自身因素來講，引起冷裂紋的主要因素就是淬硬組織、殘余應力以及介質環境。

1.1 熱裂紋

20g 熱軋、正火鋼往往都含有較高的錳，而含碳量都比較低。只有在材料中碳含量過高，超過0.12%，S、P 含量過高或者局部C、S 含量超出時，導致Mn/S 降低，從而進一步出現熱裂紋現象。遇到這種情況就要從焊接工藝上設法降低熔合比、降低焊接線能量，選用低碳或者高錳的焊接材料，以降低碳的含量，以防止熱裂紋的出現。

1.2 冷裂紋

隨著鍋爐壓力容器強度的增加，萃取硬度也逐漸增加。當冷卻速率較大時，熱影響區出現貝氏體和大量馬氏體組織。特別是形成粗大的孿晶馬氏體以后，其缺口敏感性增加，催化作用嚴重，就是焊接殘余應力作用下的冷裂紋現象。

2 汽包環焊縫熱裂紋具體應用分析

某企業自備電站鍋爐型號為DHX35-1.25-W，2019年6月對鍋爐檢修時根據要求對汽包進行內檢。經過磁粉探傷抽查檢測發現，在焊縫與母材結合位置有一條縱向延伸長為12mm，寬為1mm 的裂縫。根據電子探針檢測發現，裂紋表面有大量的氧化物，焊縫接線能量在35%左右，較大。經過對裂紋形態以及開口形式的分析，這條裂紋是熱裂紋。經拋光機拋光后，再用E5015 電極焊接拋光修復裂紋，磁粉探傷檢驗合格。

2.1 焊接因素影響

結合工程實際情況嚴格控制焊接速度。如焊接速度過快就會加大熱裂紋產生的系數。因為，焊接速度加大以后熔池深度也會增加，焊縫寬度變小，進一步導致深度以及寬度比的加大，從而導致熱裂紋出現。這進一步增加了深度和寬度比，導致熱裂紋。另外，隨著焊接速度的增加，冷卻速度也會增加，這也增加了裂紋產生的幾率。

合理控制焊根間隙。如果焊縫根部出現間隙，將直接影響結晶過程。此外，還會降低焊縫中心線的吸熱效果，延遲熔池內的凝固時間，增加裂紋發生的概率。因此，有必要對根間隙進行合理控制。

焊縫尺寸大小。在同樣的焊接情況下，焊接截面面積越大出現裂紋的幾率就會越高，隨著焊接截面面積的變化焊接性狀以及焊接成分也會發生變化，這些因素的變化都會影響到裂紋的敏感性。

焊接結構剛性。焊接結構剛性大小也會直接影響焊縫熱裂紋現象出現的幾率。焊接結構越剛硬，殘余應力越大，殘余應力釋放越困難，導致焊接接頭更容易出現開裂的現象。

2.2 汽包裂紋修復技術

修復前準備工作。首先，在汽包裂紋可疑位置進行磁粉以及超聲波檢測，通過檢測結果精準定位裂紋具體位置，并用記號筆標注出來；然后，對裂紋區域的母材進行厚度和硬度測量，并做好詳細記錄；最后，利用電加熱包扎裂紋區域同時覆上保溫棉，進行2h 的350℃恒溫處理。

缺陷清除步驟。利用砂輪機對裂縫區域進行打磨，打磨深度至0.5cm(圖2)的時候，對焊縫表面進行著色處理，發現仍然存在較長的裂紋，需要繼續打磨直到清除所有缺陷，同時清除結果必須得到特檢院確認。在對焊縫裂紋深度打磨到1.2cm 的時候，經過檢查發現裂紋消失。裂紋缺陷清除以后，根據裂紋凹槽的形狀修磨成U形，清除坡口周邊10cm 范圍以內所有的銹跡以及附著物。

圖2 焊縫裂紋打磨深度0.5cm

修復步驟如下：第一，焊接之前進行預熱。為了防止母材與焊縫溫差過大，需要對焊接部位15cm 范圍進行預熱，同時預熱溫度控制在100～150℃之間。因為裂紋在汽泡的內部，在實際現場操作時不適合放置電加熱帶，因此，為了方便操作，利用中號烤把的乙炔+氧氣中性火焰燃燒逐步進行加熱，利用人工測溫槍密切觀察加熱的溫度。第二，對焊縫補焊處理。采用合理的修復技術對汽泡焊接進行修復，焊接時電流控制在150A，補焊完成以后利用電加熱帶進行二十四小時350℃恒溫熱處理，對焊縫進行消氫處理。最后再把補焊區域打磨圓滑。第三，焊后熱處理。根據鍋爐原制造廠焊接工藝評定進行編制熱處理工藝卡，根據工藝卡操作焊后熱處理工藝。利用整圈包扎的方式對氣泡筒體環縫補焊位置進行熱處理；補焊位置內外分別設置一支電熱偶；加熱部位寬度設計在14cm 以上，確保寬度大于加熱寬度的，升溫速率控制在65℃/h，左右，保溫溫度在620℃左右，恒溫時間在3h 左右，降溫速率控制在55～95℃/h 之間。

焊前預熱：為了有效防止因母材與焊縫溫差過大，需要對修復部位15cm 范圍內進行預熱處理，預熱溫度為100～150℃。因為裂紋在汽包里面，且現場施工環境不適合放置電加熱帶，為了方便操作，利用中號烤把的乙炔＋氧氣中性火焰燃燒進行緩慢加熱，然后用手動溫度槍密切監測加熱溫度。

補焊處理：根據原廠家提供的焊接工藝以及定制的修復措施，編制汽包焊接修復工藝卡，然后根據實際情況進行焊接。焊接電流一般控制在140～170A。補焊工作完成以后立即采用電加熱區進行350℃恒溫2h 熱處理，同時，對焊縫進行消氫。最后，對修復焊接區域進行拋光打磨，使其圓滑過渡。

3 幾點建議

控制焊縫金屬成分。首先，控制母材的金屬成分，這是影響焊縫抗裂性的關鍵因素，在低碳鋼焊縫中加入Mn，同時保持一定比例的Mn/S 值，可以有效防止裂縫的出現。其次，控制焊條、焊劑的金屬成分?？刂坪笚l、焊劑的金屬成分是焊縫金屬成分的主要因素。在焊條和焊劑等焊接材料的選擇上，選擇低碳、低硫或高錳的焊接材料，以減少焊縫中碳和硫的含量，防止熱裂紋的發生。控制結晶過程，控制好熔合比，選擇合適的焊根間隙、焊接坡口，規范焊接操作步驟，因為這些因素都會直接影響到焊接冷卻的速度、時間，在一定程度上可以有效降低熱裂紋的出現?？刂谱冃?，在制造結構時，結構的剛性會隨著焊縫的增多而逐步增大，造成裂紋的幾率也就越大。因此，對于一些易受熱裂紋影響的焊接接頭，應適當減小電流，以降低鋼結構變形的概率，進一步減少熱裂紋發生的幾率。

4 結語

總之，對鍋爐制造過程中焊接質量的控制和控制，應從實際出發做好常見缺陷控制和預防工作。在生產過程中， 通過焊接材料質量控制；做好焊接設備管理以及焊接過程控制等措施，加強鍋爐制造整體質量控制。