再熱器集箱進口環(huán)焊縫裂紋原因分析及對策

徐火力，楊家燚

（廈門市特種設備檢驗檢測院，福建廈門 361004）

0 引言

某電廠1 臺1025 t/h 鍋爐為上海鍋爐廠制造，亞臨界參數(shù)汽包爐，采用控制循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動調溫、平衡通風、固體排渣、全鋼懸吊結構、露天布置燃煙煤鍋爐。該鍋爐從1995 年12 月投用至今，累計運行約15 萬h。鍋爐主要參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要技術參數(shù)

1 缺陷情況簡介

在2019 年10 月對鍋爐進行內部檢驗期間，對連接管道檢驗發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器至末級再熱器B 進口集箱三通與彎頭對接焊縫存在缺陷，材料為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ508 mm×20 mm（圖1）。經磁粉檢測發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在2 條橫向裂紋，經打磨后檢測，發(fā)現(xiàn)裂紋較深；再將焊縫余高打磨平整，用超聲波探頭放置焊縫上掃查，發(fā)現(xiàn)4 處埋藏缺陷；對余高磨平后的焊縫進行磁粉和滲透檢測，周圍還有多條長度＜10 mm 裂紋，共發(fā)現(xiàn)長度＞10 mm 的裂紋11 處，最長的裂紋長30 mm，裂紋較均勻地分布于整圈焊縫，裂紋走向皆為管道軸向（圖2）。個別長裂紋已延伸至焊縫根部，且裂紋最長處位于焊縫厚度方向上的中部，說明裂紋為由中間往上下兩端擴展。在擴大檢查中發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器至末級再熱器A進口集箱三通對接的第一道焊縫也存在三處＞10 mm 的裂紋，及多條小裂紋（圖3、圖4）。

圖1 末再進口集箱

圖2 焊縫WB002 缺陷

2 裂紋產生的原因分析

2.1 對缺陷部位進一步檢驗

圖3 焊縫WB001 缺陷

為了找出產生缺陷的原因，查閱了制造、安裝等技術資料和運行、維修記錄，并對焊縫和母材進行硬度、金相和厚度檢測。對該B 進口集箱三通與彎頭對接焊縫和兩側母材多個位置進行硬度、金相和厚度檢測，結果如下：焊縫硬度值均在230～240 HB，彎頭母材148～155 HB，三通側母材150～160 HB，均在允許范圍內。焊縫金相組織為回火貝氏體，在鏡頭下觀察發(fā)現(xiàn)焊縫存在微裂紋，裂紋方向為管道軸向，沿晶界開裂；彎頭/三通母材的金相組織為珠光體+鐵素體，球化級別4/3.5 級，未見其他異常。所測厚度值為：彎頭40.1 mm、40.0 mm、40.2 mm；焊縫（及熱影響區(qū)）20.1 mm、19.9 mm、19.5 mm；三通側45.0 mm、44.0 mm、43.0 mm，厚度未見異常。

2.2 裂紋產生的原因分析

12Cr1MoV 鋼的焊接性良好，經過多年的實踐，該鋼種的焊接規(guī)范已相當成熟。但是，該鋼含有Cr、Mo、V 等合金元素，焊后易出現(xiàn)硬而脆的淬硬組織，在焊接過程中，若有應力疊加，容易引起冷裂紋。橫向裂紋的產生主要為穿晶裂紋，屬于冷裂紋的一種，這種裂紋潛伏期相對較長，且一般從焊縫厚度的中間開始產生，向兩側擴展，最終貫穿整個厚度[1]。通過分析，該裂紋產生的主要原因為：

圖4 打磨焊縫缺陷

（1）殘余應力未有效消除。該焊縫為現(xiàn)場焊縫，焊接完成后需進行熱處理。查閱了鍋爐安裝記錄，該鍋爐于1995 年安裝，安裝的記錄不完善。原先焊接工藝和熱處理工藝不佳，無法有效消除應力集中，焊接殘余應力水平比較高。

（2）結構不連續(xù)，造成結構應力集中加大，應力水平高。該段連通管設計厚度為20 mm，彎頭和集箱三通的厚度較厚，約40 mm；集箱三通與彎頭對接焊接接頭的結構，為在安裝對接時對兩側母材削薄處理后對接，由40 mm 削薄至20 mm，該結構在焊接對接中容易存在應力集中。

（3）材質劣化和損傷。鍋爐運行至今約15 萬h，該部件額定工作參數(shù)為壓力3.42 MPa，溫度470 ℃。長時間在高溫下運行，焊縫（應力集中）部位產生多條晶間開裂的橫向裂紋（圖5）。同時，母材側金相組織已球化4 級（圖6）。

3 缺陷處理建議

根據(jù)缺陷情況、金相和硬度檢測報告，并結合現(xiàn)場實際施工條件，建議制定完善的缺陷修復方案，確保焊接修復一次成功。

3.1 焊接缺陷去除

圖5 焊縫WB002 金相照片

對以上焊縫缺陷采用機械整圈清根方法完全去除缺陷金屬，光譜復查管材舊焊縫材料。采用磨光機打磨焊接的坡口，修磨出適合于補焊的圓滑過渡的U 形槽或坡口形式，打磨過程進行MT（Magnetic Particle Testing，磁粉檢驗）和PT（Penetrant Testing，滲透檢驗）復查，確保焊縫缺陷已完全消除。坡口面及外壁兩側15～25 mm 區(qū)域應將氧化皮等雜物清理干凈，直至露出金屬光澤。嚴禁用火焰切割方法去除缺陷金屬。

圖6 B 側彎頭母材金相

3.2 焊接過程控制

（1）焊條電弧焊補焊填充、蓋面焊接。焊接材料必須經過光譜檢驗合格后方可使用。

（2）采用電加熱方法均勻預熱。手工焊前的預熱溫度為200～300 ℃，預熱寬度以坡口邊緣算起，每側不少于壁厚的3倍，且不小于100 mm。

（3）采取多層多道焊接。施焊過程中，應注意層間溫度控制在150～300 ℃，各層各道的接頭錯開10～15 mm（圖7）。每層焊縫的外表要盡可能焊得平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)尖角，每焊一層經自檢合格后方可焊接次層。為保證后一焊道對前一焊道起到回火作用，焊接時每層焊道厚度控制在不大于焊條直徑。為了減少焊接應力與變形，宜采用兩人對稱焊接（圖8）。注意不得兩人同時在一處收頭，以免局部溫度過高影響施焊質量。單點U形槽補焊可由1 名焊工完成。

（4）焊條擺動的幅度不得超過焊條直徑的4 倍。蓋面層的焊道布置，焊接1層至少3 道焊縫，中間以有一“退火焊道”為宜，以利于改善焊縫金屬組織和性能。每層每道焊縫焊接完畢后，應用砂輪機或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，尤其應注意中間接頭和坡口邊緣。經自檢合格后，方可焊接次層。施焊過程中應注意接頭和收弧的質量，接頭應熔合良好，外觀平齊；收弧時應將熔池填滿。

（5）施焊過程除檢驗上要求分次焊接外，應連續(xù)完成。若被迫中斷時，應采取防止裂紋產生的措施，如緩冷、保溫等。再焊時應仔細檢查并確認無裂紋后，方可按工藝要求繼續(xù)施焊。表面層焊接時，運條至兩邊應稍加停頓，防止咬邊，焊縫與母材要圓滑過渡。當焊縫整體焊接完畢，應將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈，自檢合格后，標記焊工代號。

圖7 多層多道焊接

圖8 手工焊接方向

3.3 焊后熱處理

（1）安裝熱電偶。當焊接完畢，焊縫外觀檢查合格后，應及時進行焊后熱處理。熱電偶的安裝位置與數(shù)量，應以保證測溫和控溫準確可靠、有代表性為原則。熱電偶要綁扎牢固防止脫落，對焊縫熱處理時可在管道周圍制作加熱器托架以防熱處理過程中加熱器脫落，熱電偶與焊縫接觸緊密以確保測溫準確。

（2）熱處理范圍。熱處理的加熱寬度，從焊縫中心算起，每側≥300 mm；保溫寬度為從焊縫中心算起，每側≥加熱寬度+150 mm。熱處理保溫厚度為40～60 mm，對水平管道可以通過改變保溫層厚度來減小上下部分的溫差。

（3）熱處理溫度。焊接接頭的焊后熱處理，采用高溫回火，恒溫溫度為720～750 ℃，要防止管內穿堂風。焊后熱處理的升、降溫速度以6250/δ 計算，δ 為焊件厚度，以≤300 ℃/h為宜；降溫至300 ℃以下時，可不控制，在保溫層內冷卻至室溫（圖9）。

3.4 維修質量檢查要求

由于現(xiàn)場條件限制，本次維修的部位不宜做水壓試驗，采用增加無損檢驗比例的方法來檢驗維修的質量：

（1）外形檢查。焊縫外形尺寸符合要求，焊縫和母材平滑過渡，表面不允許有裂紋、夾渣、弧坑、氣孔，根部不允許出現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透等焊接缺陷。

（2）金屬檢驗。按照DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》標準的要求進行光譜、金相和硬度等各項金屬監(jiān)督檢驗，檢測的數(shù)量為光譜（母材2 點，焊縫1 點）、金相（彎頭側母材1 點，三通側母材1 點，焊縫1 點）、硬度（母材2 點，熱影響區(qū)2點，焊縫1 點），且焊縫硬度≤300 HB。

（3）無損檢測。采用UT100%、RT＞20%和PT100%進行無損檢測，執(zhí)行標準NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》。

圖9 12Cr1MoV 焊接熱處理曲線

4 維修質量檢查結果

此次維修，采納以上維修建議，維修后，焊縫經外觀檢查、無損檢測、光譜、金相和硬度等檢查，結果均符合要求，修復一次成功：①焊縫外形尺寸檢查符合要求，未見表面焊接缺陷；②對WB-001 和WB-002 焊縫及兩側母材進行光譜分析，結果均符合要求；③對WB-001 和WB-002 焊縫、彎頭側母材、三通側母材，分別進行金相檢驗，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，母材組織為珠光體+鐵素體，母材側金相組織球化4 級，在驗收標準允許范圍內；④對WB-001 和WB-002 焊縫及兩側熱影響區(qū)、母材進行硬度測試，結果均符合要求；⑤無損檢測結果合格，焊縫WB-001 和WB-002，100%UT，結果為Ⅰ級；100%PT，結果為Ⅰ級；RT＞20%，結果為Ⅰ和Ⅱ級。

5 結束語

通過分析屏式再熱器至末級再熱器進口集箱三通與彎頭對接焊縫產生裂紋的原因，采用合理的焊接修復工藝對開裂部位進行維修和檢驗，確保了本次的維修的質量。通過總結，為了確保電站鍋爐安全運行，可采取以下的防治措施：①不管是鍋爐安裝還是維修，應采用合理的焊接和熱處理工藝并嚴格執(zhí)行，提高焊接質量水平；②少采用不連續(xù)結構，避免加大結構應力集中情況；③對于運行時間比較長的機組，鍋爐定期檢驗時應對結構不合理的地方加大檢驗比例，并對此類焊縫加強金屬監(jiān)督。