鍋爐高溫過熱器焊縫裂紋的原因分析與處理

袁懷中

（中國石油四川石化有限責任公司，四川成都 611930）

0 引言

煉化一體化工程自備電站有4 臺蒸發量為420 t/h 的高壓蒸汽鍋爐，鍋爐設計為單汽包、自然循環、集中下降管、Π 形布置，前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁，爐膛出口處布置屏式過熱器。水平煙道裝設了一級對流過熱器（高溫過熱器），爐頂、水平煙道轉向室和尾部包墻均采用膜式管包敷，尾部豎井煙道中布置一級低溫過熱器、一級省煤器（分上、下兩段）和兩級臥式管式空氣預熱器。前墻布置兩層8 只旋流燃燒器，燃料為100%燃氣爐2 臺、60%油+40%氣的燃油氣爐2 臺。2012 年9 月，電站開工運行，開始向煉化一體化裝置提供蒸汽。

1 裂紋產生的現象及統計

2014 年1 月22 日，鍋爐外操在巡檢過程中，聽到2 號爐爐頂有明顯漏汽聲音，用紅外線測溫儀測得2 號爐高溫過熱器出口聯箱處溫度明顯高于其他地方，于是匯報相關人員。經部門專業工程師現場確認有蒸汽泄漏后，開始執行停爐操作。1 月25 日，2 號爐溫度降至常溫，具備檢修條件，將爐頂高溫過熱器出口聯箱處保溫拆除，發現高溫過熱器熱段兩根蛇形管與出口聯箱支管座焊縫處出現裂紋。高溫過熱器共計有119 排管束，每排管束由上中下3 根管子組成。此次出現裂紋的兩處分別是乙側往甲數第10 排上面1 根，第15 排最上面1 根，現場照片高溫過熱器熱段裂紋如圖1所示，裂紋部位如圖2 所示。

圖1 高溫過熱器熱段裂紋

圖2 具體斷裂部位

斷裂的高溫過熱器蛇形管尺寸42×5 mm，材料為12Cr1MoVG，兩根斷裂部位均在焊縫根部熱影響區，此處過熱蒸汽壓力9.8 MPa，溫度540 ℃。

因生產裝置蒸汽負荷需要，采取24 h 作業模式對2號爐進行搶修，以便最短時間內恢復2 號爐運行。對斷裂處采取的處理措施是：對焊口前后母材及焊縫進行材質確認，確認與設計材質一致的情況下，切除裂紋處焊肉，重新打磨焊接，焊前預熱，焊后進行熱處理。1 月26 日，兩處裂紋處理完畢，鍋爐水壓試驗合格后，恢復現場保溫，投入2 號爐運行。

2014 年2 月15 日，外操在巡檢過程中，又聽到2 號爐爐頂有明顯漏汽聲音，同時紅外線測溫儀顯示高溫過熱器出口聯箱處溫度明顯高于其他地方，正常匯報后，安排停止2 號爐運行。待溫度冷卻至常溫后，拆除保溫檢查，發現乙往甲數第11 排中間1 根（圖3），第19 排上面1 根焊縫發生斷裂，其斷口位置和現象與1 月22 日發生斷裂的管子一致，均是焊縫根部熱影響區。處理方式和上次一樣：對焊口前后母材及焊縫進行材質確認，確認與設計材料一致的情況下，切除裂紋處焊肉，重新打磨焊接，焊前預熱，焊后進行熱處理。處理完畢，鍋爐水壓試驗合格后，恢復現場保溫，投入2 號爐運行。

圖3 11 排中間一根斷裂

2014 年3 月6 日，巡檢發現4號爐疑似泄漏，停爐拆保溫后確認4 號爐高溫過熱器管束乙往甲數第4 排最下面一根焊縫斷裂；2014 年3 月10 日，巡檢發現3 號爐疑似泄漏，停爐拆保溫后確認3 號爐高溫過熱器管束乙往甲數第16 排中間一根焊縫斷裂。截止到2015 年4月，2、3、4 號鍋爐發生高溫過熱器熱段蛇形管束與出口聯箱支管座焊縫處出現裂紋泄漏7 次，涉及管子13 根，高溫過熱器焊縫裂紋統計見表1。

表1 高溫過熱器焊縫裂紋統計

自備電站鍋爐裝置高溫過熱器在短短的一年多時間內出現如此頻繁的焊縫損壞故障，導致鍋爐多次被迫停運檢修，給煉化裝置的長周期安全連續運行帶來考驗。必須從根本上找到故障發生的原因，并采取有效處理手段，以徹底消除此類隱患，方能為煉化裝置的平穩運行提供源源不斷的蒸汽動力。

2 裂紋產生原因可能性分析

2014 年1 月22 日2 號爐高溫過熱器發生焊縫泄漏后，部門就開始分析產生裂紋的原因，結合開工以來4 臺鍋爐的實際運行工況，從以下4 個方面開展原因排查工作。

2.1 鍋爐本體異常振動導致的疲勞損壞

自備電站鍋爐裝置至2012 年投產以來，先后發生過1、2、3號爐本體振動異常情況，尤其是在蒸汽負荷大于70%后異常振動明顯，是當時鍋爐高負荷生產的一大瓶頸。后經過技術攻關，對1、2、3 號爐燃燒器進行改造調整，鍋爐本體的異常振動問題在2013 年相繼得到徹底解決，解決后鍋爐100%負荷運行不再有任何異常振動現象。

從圖1 可以看出，高溫過熱器蛇形管為垂直走向，通過彎管與水平聯箱相連，斷裂處在焊縫根部熱影響區，此處所受彎曲應力和熱應力最大，結合前期鍋爐本體的異常振動，該過熱蒸汽管線在運行過程中隨著爐本體一起振動，加劇了斷裂處的受力，使得應力進一步加劇，最終導致應力集中開裂。分析這一可能性在異常振動過的鍋爐中應該都存在，但是統計表明，1 號爐異常振動時間最長，高溫過熱器蛇形管同樣部位卻從未發生過斷裂現象；3、4 號爐同樣部位發生裂紋的次數也明顯少于2 號爐，異常振動導致的疲勞損壞不能完全解釋這一現象。

2.2 膨脹受阻引起應力破壞

自備電站4 臺鍋爐采用的都是懸吊結構，垂直方向正常的受熱膨脹是向下延伸，一旦膨脹受阻，將引起受熱面管線的變形、損壞。對發生焊縫裂紋的2、3、4 號鍋爐進行全面檢查，對比各膨脹指示點數據，均未發現明顯異常，各膨脹指示器指示正確，數據符合鍋爐說明書要求；鍋爐整體外觀良好，沒有發現任何變形、損壞的部位，膨脹受阻的可能性基本可以排除。

2.3 焊條及母材使用錯誤

高溫過熱器蛇形管設計材質為12Cr1MoVG，屬于珠光體型耐熱鋼，管子對接焊應采用R317 焊條焊接。對斷裂處焊縫、前后母材均進行化學成分分析，化學成分見表2，依據GB/T 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中12Cr1MoVG 的化學成分的規定，前后母材及焊縫的化學成分滿足標準要求。由此，焊條及母材使用錯誤的可能性被排除。

表2 化學成分

2.4 焊接工藝存在不當行為

12Cr1MoVG 鋼焊接性能良好，手工焊采用E5515-B2-V（熱317）焊條，按照GB 5310—2008 標準規定，焊前預熱溫度為200～250 ℃，焊后經710～750 ℃回火熱處理。12Cr1MoVG 鋼對熱處理比較敏感，正火溫度、保溫時間，冷卻速度和回火溫度，對鋼的組織和持久強度都有一定的影響。焊接工藝不當，容易在焊接熱影響區形成粗大的馬氏體組織，在熱影響區部位沿晶開裂，產生裂紋。

焊接工藝是否存在不當，需從焊縫硬度檢測和金相組織來分析判斷。

3 焊接接頭硬度檢測、金相分析

3.1 硬度檢測

依據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分：試驗方法》和參照GB/T 3077—1999《合金結構鋼》標準中12Cr1MoVG 規定的力學性能，硬度檢測結果見表3，試樣母材硬度值符合標準要求，而焊縫、熱影響區的硬度值都高于標準要求。

表3 硬度檢測結果 HBW

3.2 金相分析

3.2.1 金相取樣位置及編號（圖4）

圖4 金相取樣位置及編號

1#——焊縫及焊縫下部管材；2#——焊縫上部殘余管材及焊縫區域。

3.2.2 檢驗結果

依據GB/T 13298—1991《金屬顯微組織檢驗方法》規定，取1#、2#試樣的縱截面為檢驗面，試樣經機械拋光，采用4%硝酸酒精對其進行腐蝕，1#試樣對應的金相組織如圖5～7所示。1#試樣焊縫金相組織如圖5所示，對應的金相組織為粒狀貝氏體，圖6 為焊縫與其下部管材的熱影響區，圖7 為焊縫下部管材的金相組織，即：鐵素體+珠光體。1#試樣管內外壁均存在腐蝕產物，腐蝕產物為深灰色且均勻分布。

圖5 1#試樣焊縫對應的金相組織

圖6 1#試樣熱影響區對應的金相組織

圖7 1#試樣管材對應的金相組織

2#試樣對應的結果見圖8～圖10，圖8 為焊縫組織，圖9 為焊縫與焊縫上部殘余管材之間的熱影響區的金相組織，圖10為2#試樣焊縫上部殘余管材的金相組織，即金相組織為：鐵素體+珠光體。

圖8 2#試樣焊縫對應的金相組織

圖9 2#試樣熱影響區對應的金相組織

圖10 2#試樣母材對應的金相組織

3.3 斷口取樣分析

斷口的宏觀形貌見圖11。將管材與焊縫熱影響區開裂處打開后如圖11 所示，開裂前管材部位及焊縫區域均未發現明顯的塑性變形，斷口較為平齊、粗糙，呈脆性斷裂特征。斷口表面覆蓋一層較厚、較致密的黑色腐蝕產物。采用二次電子成像（SEM）對斷口試樣進行觀察，如圖12 所示。斷口試樣表面覆蓋腐蝕產物較厚，腐蝕產物較致密，且難以清洗，清洗后斷口表面晶粒清晰、晶界明顯，斷口呈沿晶斷裂特征。

圖11 斷口的宏觀形貌

圖12 斷口的微觀形貌

綜上分析，斷裂試樣管材焊縫下部熱影響區以及焊縫硬度值都高于標準要求；斷口較為平齊、粗糙，無塑性變形，斷口表面為沿晶開裂，呈脆性斷裂特征。

最終結論為：焊接工藝不當是導致蛇形管焊縫開裂的主要原因。在焊縫內部或者熱影響區形成粗大的淬硬組織，增加了組織相變應力，韌性降低，在后續的受熱過程中發生沿晶分離導致開裂。

4 采取的修補完善措施

針對2、3、4 號鍋爐高溫過熱器熱段多根蛇形管與出口聯箱處焊縫相繼出現的熱影響區裂紋，擴大檢查范圍，對查出焊縫硬度嚴重超標的重新進行正火加高溫回火處理；對發生裂紋的焊縫，切除原焊肉，根據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》進行評定合格的焊接工藝重新進行焊接，按焊前預熱200～250 ℃，保持層間溫度不低于預熱溫度，焊接后進行熱處理，溫度為710～750 ℃。以確保熱處理效果，細化晶粒、穩定結構、消除應力。

按照上述處理原則，至2015 年4 月，自備電站4 臺鍋爐全部檢查整改完畢，整改后運行至今焊縫狀況良好，未再出現裂紋現象。

5 結束語

12Cr1MoVG 屬于耐熱合金鋼，廣泛應用于火電廠鍋爐壁溫≤580 ℃的過熱器、再熱器管子。發生裂紋的高溫過熱器熱段正常運行溫度為520～540 ℃，而400～520 ℃又是12Cr1MoVG材料的敏化溫度，在這個溫度區時間越長，12Cr1MoVG 越容易產生裂紋。因此，只有嚴格的焊接工藝流程和熱處理工藝控制，才能有效降低焊接應力、細化晶粒、穩定組織，也才能使12Cr1MoVG 管子在敏化溫度區內能長期穩定運行，避免產生晶間腐蝕而開裂。