余熱鍋爐角焊縫裂紋原因分析及防范

原文博

摘要：余熱鍋爐通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫排氣加熱爐內(nèi)循環(huán)工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)做功來(lái)發(fā)電。余熱鍋爐為德國(guó)Borsig公司制造的改進(jìn)型倒U型套管加熱器。這種雙套管余熱鍋爐具有能吸收部分熱膨脹差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)過(guò)于緊湊，也給漏點(diǎn)查找及檢修工作帶來(lái)不便。裝置投入運(yùn)行后，多臺(tái)余熱鍋爐先后出現(xiàn)了鍋爐給水串入裂解氣側(cè)，影響余熱鍋爐正常運(yùn)行，最終被迫停下檢修的問(wèn)題

關(guān)鍵詞：余熱鍋爐;調(diào)峰運(yùn)行;角焊縫裂紋

引言

作為與燃?xì)廨啓C(jī)配套的設(shè)備，余熱鍋爐承擔(dān)著機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行。在機(jī)組頻繁啟停運(yùn)行模式下，余熱鍋爐汽水系統(tǒng)受熱面易受力產(chǎn)生裂紋而發(fā)生泄漏。從受熱面小徑管、聯(lián)箱管道的角焊縫結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了裂紋的宏觀特征和微觀組織，指出了產(chǎn)生應(yīng)力的原因，并提出了減小應(yīng)力的防范措施，保證了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1概述

近年來(lái)，余熱鍋爐多次發(fā)生裂解氣出口管與鍋爐給水下集合管連接角焊縫產(chǎn)生穿透性裂紋的事故。致使高壓鍋爐給水進(jìn)入低壓裂解氣側(cè)瞬間汽化，阻礙裂解氣的流動(dòng)，最終引起爐管結(jié)焦速率加快。如果判斷不及時(shí)，將使整根輻射爐管結(jié)焦堵死，嚴(yán)重影響裝置安全生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)角焊縫裂紋具有如下的特征：（1）均為聯(lián)箱與小徑管角焊縫部位，裂紋位于小徑管側(cè)焊縫熱影響區(qū)部位;（2）再熱器Ⅰ，Ⅱ下聯(lián)箱與受熱面小徑管屏焊接均為異種鋼焊接接頭;（3）裂紋的形貌均為裂紋從外向內(nèi)開(kāi)裂;（4）裂紋均為橫向裂紋。再熱器Ⅰ角焊縫取樣的金相組織和顯微硬度結(jié)果基本正常，角焊縫部位裂紋的產(chǎn)生更大可能與其承受的應(yīng)力有關(guān)，包括下集箱和管子間的P91/T23異種鋼焊接殘余應(yīng)力以及管子與集箱間結(jié)構(gòu)應(yīng)力等因素。在機(jī)組頻繁啟停的惡劣工況下，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展直至形成貫穿性裂紋，引起泄漏。宏觀檢查斷口形貌，斷裂部位基本位于角焊縫的邊緣，從斷口部位主裂紋產(chǎn)生于角焊縫粗晶區(qū)、二次裂紋存在晶間開(kāi)裂等特征來(lái)看，該裂紋具有一定的再熱裂紋傾向。聯(lián)箱角焊縫部位本身存在一定的焊接殘余應(yīng)力和較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，再熱器Ⅱ管運(yùn)行溫度與低合金鋼550～650℃的再熱裂紋敏感區(qū)間相近，極易促進(jìn)裂紋的產(chǎn)生。在目前燃機(jī)頻繁啟停的工況下，裂紋一旦產(chǎn)生，就會(huì)快速擴(kuò)展直至貫穿，導(dǎo)致?tīng)t管泄漏。

2裂紋產(chǎn)生的原因分析

低合金耐熱鋼的焊接具有以下特點(diǎn)：這些材料按其合金含量具有不同程度的淬硬傾向，在焊接熱循環(huán)決定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區(qū)內(nèi)可能形成對(duì)冷裂敏感的顯微組織，延遲裂紋的形成是焊縫中氫、焊接接頭金屬中所承受的拉應(yīng)力及鋼材淬硬傾向造成的金屬塑性?xún)?chǔ)備下降三個(gè)因素交互作用的結(jié)果。SA336F22CL3最低抗拉強(qiáng)度為515MPa，強(qiáng)度高且厚度大。鋼的淬硬傾向取決于它的碳含量、合金成分及其含量。低合金耐熱鋼中的鉻和鉬等元素都能顯著地提高鋼的淬硬性。對(duì)于成分一定的合金鋼，最高淬硬度取決于從奧氏體相的冷卻速度。鉻和鉬含量的增加，厚度的增大，鋼種的淬硬傾向增大，焊接過(guò)程中，如冷卻速度過(guò)快，焊縫及熱影響區(qū)就很容易形成淬硬組織，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行中在應(yīng)變應(yīng)力作用下形成垂直于焊縫的橫向冷裂紋。該設(shè)備出現(xiàn)裂紋的焊縫是合攏口，焊接工藝要求：焊前預(yù)熱180-200℃，焊接過(guò)程中控制道間溫度范圍為180-300℃，連續(xù)焊接，否則立即進(jìn)行消氫處理;除打底層和蓋面層外逐層錘擊;焊后立即進(jìn)行300-350℃，保溫3h消氫處理;焊后至少24h再進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。最后進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。實(shí)際焊接過(guò)程：用火焰預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)各100-150mm，范圍較窄，溫度梯度較大，焊接接頭會(huì)形成一定的熱應(yīng)力;焊接過(guò)程不是連續(xù)焊接，中斷焊接時(shí)做的消氫處理不很及時(shí);層間錘擊沒(méi)有做到逐層進(jìn)行，焊縫內(nèi)部存在一定的殘余應(yīng)力;道間溫度滿(mǎn)足工藝要求;焊后消氫處理是用火焰進(jìn)行的，范圍為焊縫兩側(cè)各150mm，消氫處理做的不很及時(shí)。無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)此焊縫內(nèi)部有圓形缺陷，但并未超標(biāo)，按JB/T4730.2-2005，判為II級(jí)，合格。第二次出現(xiàn)裂紋后，對(duì)這條焊縫又進(jìn)行了硬度測(cè)試，共測(cè)定了16點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)硬度值均超過(guò)了350HB，說(shuō)明焊后局部熱處理效果不好。綜上分析，焊縫及熱影響區(qū)在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生了脆硬的馬氏體組織，由于消氫處理的不及時(shí)，在焊接接頭中會(huì)殘留少量氫，由測(cè)定的硬度值可以判斷熱處理效果不很好，焊接接頭中存在焊接殘余應(yīng)力和各種拘束應(yīng)力，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中又經(jīng)歷各種熱交變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，在接頭內(nèi)部有微觀缺陷的薄弱部位就產(chǎn)生了裂源，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而擴(kuò)展到焊縫表面，形成了冷裂紋。

3防范措施

3.1將原角焊縫全焊透結(jié)構(gòu)更換為加強(qiáng)型接管座，且管座材質(zhì)與聯(lián)箱一致，使異種鋼焊接接頭為對(duì)接焊縫，強(qiáng)化應(yīng)力集中部位。接管段時(shí)，應(yīng)保持冷態(tài)自由垂度，其焊接對(duì)口的焊縫寬度精準(zhǔn)控制，要求施工人員工作經(jīng)驗(yàn)豐富。

3.2管屏角焊縫焊接質(zhì)量全面評(píng)估，保證焊接質(zhì)量良好，且異種鋼焊接接頭的焊接材料應(yīng)采用低匹配原則。

3.3由于余熱鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)檢修空間，無(wú)監(jiān)測(cè)手段，不利于提前防范。專(zhuān)業(yè)人員應(yīng)利用機(jī)組檢修時(shí)機(jī)，通過(guò)割開(kāi)下部連通管拉開(kāi)相應(yīng)聯(lián)箱來(lái)檢查易發(fā)生缺陷的部位，預(yù)防檢修周期內(nèi)運(yùn)行泄漏。

3.4 加強(qiáng)鍋爐啟停過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)視，如煙氣溫度、再熱蒸汽溫度和壓力，并控制余熱鍋爐升降負(fù)荷速率。停爐過(guò)程中，盡量采用較低的溫降速度，每分鐘不超過(guò)6 ℃。對(duì)直接影響管道膨脹的主要因素——再熱蒸汽溫度，應(yīng)關(guān)注隨再熱蒸汽溫度變化產(chǎn)生的管道壁溫變化和管道膨脹變化，優(yōu)化啟動(dòng)速度和運(yùn)行操作。

3.5探討頻繁啟停模式下，保障余熱鍋爐汽水系統(tǒng)部位材質(zhì)優(yōu)化、壽命延長(zhǎng)等措施，以緩解機(jī)組日開(kāi)夜停運(yùn)行方式與設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)行模式不符帶來(lái)的問(wèn)題。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)余熱鍋爐耐熱鋼管板與管箱筒體環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋原因的分析及裂紋缺陷的修復(fù)，總結(jié)了大厚板耐熱鋼焊接要點(diǎn)，為大厚板耐熱鋼產(chǎn)生焊接缺陷的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

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（作者單位：鞍山開(kāi)炭熱能新材料有限公司）