660 MW 超超臨界機組鍋爐集箱管座大面積裂紋分析

羅洪輝， 龍會國， 王鵬

(1. 湖南華電平江發(fā)電有限公司， 湖南 岳陽414000；2. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007；3. 湖南省湘電試驗研究院有限公司， 湖南 長沙410004；4. 華能湖南岳陽發(fā)電有限責任公司， 湖南 岳陽414000)

0 引言

超超臨界機組鍋爐容量大、 運行壓力大、 溫度高, 結構復雜, 使用了大量新型高合金耐熱鋼, 部件壁厚較厚, 制造及安裝時拘束度大。 因此, 對焊接及其熱處理過程控制要求更加嚴格, 對原材料及焊接質量檢測技術提出了更高的要求, 又由于國產超超臨界機組大多引進國外技術, 國產化設計、 制造以及安裝技術不夠成熟, 新技術、 新材料、 新工藝快速引進, 而吸收掌握程度不夠, 從而產生一些制造及安裝缺陷。 國內一些學者對超超臨界機組鍋爐安全性能檢驗中發(fā)現的典型問題進行總結歸納,對問題產生的原因及處理措施均提出了不同見解[1-7], 但大量集箱尤其是SA-106C、 12Cr1MoVG材質集箱大面積短接管座制造角焊縫裂紋的情況未見報道。 本文通過對某660 MW 超超臨界機組鍋爐SA-106C、 12Cr1MoVG 材質集箱大面積管座裂紋取樣, 研究其裂紋形態(tài)及其產生原因, 并提出處理措施, 保證集箱返修及后續(xù)集箱制造質量, 確保了機組投產后的安全穩(wěn)定運行。

1 試驗方法與分析

1.1 宏觀檢查

某660 MW 超超臨界機組鍋爐為超超臨界參數變壓直流本生型鍋爐, 一次再熱, 單爐膛, 尾部雙煙道結構, 采用平行擋板調節(jié)再熱汽溫, 固態(tài)排渣, 全鋼構架, 全懸吊結構, 平衡通風, 露天布置。 最大連續(xù)蒸發(fā)量2 035 t/ h, 高溫過熱器出口蒸汽壓力為26. 15 MPa、 溫度為605 ℃, 高溫再熱器出口蒸汽壓力為5. 53 MPa、 溫度為603 ℃。 基建過程中檢查發(fā)現兩臺機組鍋爐低、 中溫段集箱存在大面積管座角焊縫裂紋, 均為鍋爐廠分包產品, 每臺鍋爐分包生產的集箱共64 個, 其中SA-106C 材質集箱10 個、 12Cr1MoVG 材質集箱54 個, SA-106C材質集箱管座角焊縫裂紋率最高達87. 67%、 最低為20. 72%, 12Cr1MoVG 材質集箱管座角焊縫裂紋率最高達49. 25%、 最低為26. 37%。

部分裂紋位于集箱短接管側熔合線附近, 部分裂紋位于集箱母材側熔合線附近, 裂紋均呈環(huán)向開裂。 圖1 所示為1 號鍋爐低再進口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌, 集箱及短接管材質為12Cr1MoVG,裂紋長約75 mm； 圖2 所示為1 號爐省煤器進口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌, 集箱規(guī)格材質為Φ457×85 mm、 SA-106C, 裂紋位于集箱側熔合線上。 安裝現場檢查發(fā)現的2 號爐省煤器出口集箱管座角焊縫存在裂紋的比例最大, 集箱規(guī)格材質為Φ324×68 mm、 SA-106C。 共檢查了300 個省煤器出口管(Φ44. 5×7 mm、 SA-210C), 發(fā)現263 個省煤器出口管座角焊縫存在不同程度的表面裂紋類缺陷, 不合格率達87. 67%。 裂紋出現在管座角焊縫集箱側熔合線上, 長度5 ～15 mm, 經對部分裂紋類缺陷打磨后確認, 裂紋深度1～7 mm。

1.2 化學成分分析

對材質為12Cr1MoVG 集箱及其短接管、 角焊縫進行光譜分析, 均符合相關標準要求, 見表1。

圖1 1 號爐低再進口集箱管座角焊縫 裂紋宏觀形貌

圖2 1 號爐省煤器進口集箱管座角焊縫裂紋宏觀形貌

表1 12Cr1MoVG 材質集箱化學成分含量 %

1.3 顯微組織分析

對省煤器進口集箱(規(guī)格為Ф559×86 mm、 材質為SA-106C) 與短接管(規(guī)格為Ф44. 5×7 mm、材質為SA-210C) 角焊縫進行金相試驗。 裂紋位于管座角焊縫集箱側熔合線上, 試樣經常規(guī)金相方法制成, 用4%硝酸酒精溶液侵蝕, 在現場金相顯微鏡上觀察。

圖3 所示為裂紋顯微組織, 從圖3 可知, 裂紋側焊縫組織為網狀鐵素體+貝氏體組織, 且具有明顯的淬硬性組織。 焊縫存在魏氏體組織, 說明焊接過程中熱輸入量過大, 焊縫組織存在過熱現象。 裂紋沿晶界開裂, 裂紋內壁存在明顯的氧化膜, 且裂紋兩側組織存在明顯的脫碳。 可見, 裂紋在集箱整體熱處理前中開裂, 在整體高溫熱處理過程中裂紋內部產生高溫氧化及脫碳現象。 圖4 所示為省煤器母材金相組織, 為鐵素體+珠光體組織。

圖3 裂紋組織(100×)

圖4 省煤器母材金相組織(500×)

對低過進口集箱(規(guī)格為Φ457×80 mm、 材質為12Cr1MoVG) 與短接管( 規(guī)格為Φ51 × 7 mm、材質12Cr1MoVG) 角焊縫進行金相試驗, 裂紋位于管座角焊縫短接管側熔合線上, 對短接管及其角焊縫進行切割取樣, 試樣經常規(guī)金相方法制成, 用4%硝酸酒精溶液侵蝕。

圖5 所示為焊縫及熱影響區(qū)顯微組織, 從圖5可知, 組織為鐵素體+貝氏體, 組織晶粒較大, 具有黑色網狀奧氏體晶界。 圖6 所示為裂紋顯微組織, 裂紋內壁同樣存在明顯的氧化膜, 說明該裂紋在集箱整體熱處理前或熱處理過程中已經開裂, 經過集箱整體高溫熱處理過程, 裂紋內壁產生高溫氧化。 圖7 所示為短接管母材金相組織, 為鐵素體+珠光體組織。

圖5 焊縫及熱影響區(qū)組織(100×)

圖6 裂紋斷面組織(100×)

圖7 短接管母材組織(200×)

1.4 制造過程分析

對制造單位制造工藝資料進行審查, 發(fā)現存在以下問題:

1) 熱處理作業(yè)人員未持證上崗。

2) 熱處理工藝與文獻[8-9] 規(guī)定不符, 主要體現在: ①12Cr1MoVG、 SA-106C 的熱處理溫度分別為714 ～720 ℃、 605 ～630 ℃, 與標準要求的720～750 ℃、 580～620 ℃不相符； ②現場沒有控制焊接預熱及層間溫度的有效措施, 無法保證工藝規(guī)定的焊前預熱及層間溫度； ③集箱管座角焊縫焊后未立即進行焊后熱處理, 且未采取熱處理措施。

3) 焊接工藝一覽表與焊接工藝評定存在差異, 如焊接工藝評定選用的焊條 ( 絲) 直徑為3. 2 mm和4. 0 mm, 而焊接工藝一覽表顯示管座角焊縫采用的焊條(絲) 直徑為3. 2 ～5. 0 mm, 實際采用的焊條(絲) 直徑為5. 0 mm。

4) 沒有完善的焊接交底制度, 如未向現場施焊焊工提供正式的焊接工藝卡, 難以確保焊接工藝完全執(zhí)行到位。

2 焊接裂紋原因分析

根據焊接裂紋形成的本質來分, 焊接裂紋為熱裂紋、 再熱裂紋、 冷裂紋、 層狀撕裂及應力腐蝕裂紋[10]。 集箱管座角焊縫裂紋發(fā)生在熱影響區(qū)的粗晶區(qū), 沿焊縫熔合線開裂。 集箱壁厚較厚, 為54～88 mm, SA-106C、 12Cr1MoVG 材質屬于低焊接裂紋敏感鋼, 具有良好的抗層狀撕裂能力, 因而排除層狀撕裂； 裂紋均發(fā)生在熔合線上, 在焊縫中未發(fā)現裂紋現象, 因而可以排除產生熱裂紋的可能性；集箱在制造過程中, 因而無應力腐蝕裂紋的可能性； 集箱管座角焊縫裂紋在焊接完畢后及熱處理過程中產生, 且焊縫具有淬硬性組織及網狀組織, 沿晶間開裂, 可見屬于冷裂紋或再熱裂紋[11]。

SA-106C、 SA-210C, 這種C-Mn 固溶強化為主的鋼材, 其碳、 錳含量較高( 碳含量≤0. 35%),屬于中碳鋼, 碳當量值大于0. 4, 因此具有一定的淬硬及冷裂傾向, 冷裂紋敏感性大[12-13]。 集箱壁較厚、 短接管壁相對薄且短, 焊接拘束應力大, 焊接過程中未嚴格執(zhí)行焊接工藝, 采用較粗焊條直徑(5. 0 mm), 熱輸入量大, 冷卻速度過快, 造成淬硬性的魏氏體組織, 焊后未及時進行焊后熱處理,且未進行相應消氫處理, 易產生冷裂紋。

管接頭及集箱本體為12Cr1MoVG 材質, 該材質有再熱裂紋傾向, 再熱裂紋溫度區(qū)間為640 ～760 ℃, 貝氏體熱影響區(qū)再熱裂紋敏感性較高[14-16]。 實際熱處理溫度為714 ～720 ℃, 正處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間, 集箱壁較厚、 短接管壁相對較薄, 焊接拘束應力大, 且焊接熱輸入量大, 冷卻速度快, 造成焊縫及熱影響區(qū)組織粗大, 存在明顯的網狀奧氏體晶界, 高溫熱處理過程中再熱裂紋正好在貝氏體熱影響區(qū)再熱裂紋最敏感區(qū)產生。

綜上所述, 裂紋產生主要原因為工藝不正確,焊接過程中采用焊條直徑偏大( 最大焊條直徑為5mm), 熱輸入量大, 焊縫存在淬硬性組織及網狀組織, 且無預熱及后熱處理。 單個管座角焊縫焊完后到焊后熱處理之間停留時間過長, 未及時采取后熱處理及整體焊后熱處理, 在熱處理前長時間停留或在高溫熱處理過程中造成裂紋產生。 冷裂紋是造成SA-106C 材質集箱大面積短接管座裂紋的主要原因, 再熱裂紋是造成12Cr1MoVG 材質集箱大面積短接管座裂紋的主要原因。

3 建議

1) 對該制造單位檢查發(fā)現裂紋類缺陷的集箱所有管座角焊縫應進行全部清除, 并采用合格處理方案重新制作并經檢驗合格后方可采用, 否則應不予采用。

2) 制造單位應根據自身制造設備、 人員等狀況, 重新進行焊接工藝評定, 以確保焊接工藝的正確性, 并進一步完善質量體系文件, 加強對焊工、熱處理及無損檢測等特種作業(yè)人員管理與培訓, 做到持證上崗, 并嚴格執(zhí)行有關規(guī)程規(guī)范要求, 加強制造及檢驗過程控制, 杜絕此類問題再次發(fā)生。

3) 焊接、 熱處理工藝最為關鍵, 應該包含:①應采用小能量焊接方式, 嚴格控制熱輸入量, 選擇焊條(絲) 直徑應小于4 mm, 對于短接管壁厚度小于4. 5 mm 的, 建議采用2. 5 mm 及以下的焊條(絲), 多層多道焊； ②嚴格按規(guī)程制定熱處理工藝, 焊前預熱溫度為200～300 ℃, 采用電加熱方式,且控制好層間溫度, 在整個集箱焊接過程中, 均要保持在200 ～300 ℃狀態(tài), 焊后立即進行消氫處理,整體焊完后, 立即進行焊后熱處理, 熱處理過程中嚴格控制升降速度、 保溫溫度及時間； ③加強焊接過程質量控制, 確保正確的工藝執(zhí)行到位。