鍋爐末級過熱器進口集箱三通焊縫裂紋原因分析及處理措施

馬振華

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

某火電廠配備1臺型號為HG-1025/17.5-YM36的亞臨界參數鍋爐。鍋爐主蒸汽設計壓力為17.5 MPa，主蒸汽溫度為540 ℃，鍋爐的額定蒸發量為1025 t/h。整體采用單爐膛π型布置，受熱面全部吊掛在鋼結構大板梁上，過熱器和再熱器的受熱面集箱主要布置在爐膛上部大包內[1]，布置如圖1所示。該鍋爐于2007年10月正式投入運行，2021年9月大修時，累計運行時間約87 215 h。在2021年進行定期檢驗過程中，發現末級過熱器進口集箱的三通與后屏過熱器出口集箱連接管的焊縫存在多條橫向裂紋。本文通過查找多方面原因對上述裂紋缺陷產生的機理進行分析，并提出合理的焊接及熱處理工藝對缺陷進行修復。

圖1 爐頂集箱分布情況

1 裂紋缺陷情況

過熱蒸汽由后屏過熱器出口集箱通過2根Ф406 mm×70 mm，材質為SA-335P22的連接管引入末級過熱器進口集箱三通，焊縫位置如圖2所示。三通規格Ф406 mm×406 mm×406 mm，壁厚75 mm，材質為SA-234WP22CL1。

圖2 集箱焊縫位置示意圖

依據《鍋爐安全技術規程》規定，當鍋爐運行時間超過5×104h，應對高溫過熱器環焊縫進行表面無損檢測，一般抽查不少于1條環焊縫。在對末級過熱器進口集箱爐右側三通與連通管對接焊縫磁粉探傷時發現，焊縫根部位置及焊道之間存在斷續線性磁痕，其中最嚴重的裂紋已幾乎橫跨整個焊縫，結構及形貌如圖3所示。通過宏觀觀察，此裂紋呈現斷續狀，裂紋開口較寬，焊接熱影響區為裂紋起裂點。對缺陷分布進行檢查，焊縫表面打磨平整后做磁粉探傷和滲透探傷復檢，在焊縫內部表面又發現多處裂紋，如圖4所示。對該集箱的左側三通與連接管的對接焊縫進行磁粉檢測擴檢，發現同樣存在多條密集橫向裂紋。

圖3 磁粉檢測

圖4 滲透檢測

2 裂紋產生原因分析

由于此次進行消缺返修處理，而未進行整體焊接接頭截取制樣進行理化性能和電鏡掃描分析。本文通過金相組織、硬度、材料化學成分、焊接工藝等幾個方面研究裂紋產生的原因。

2.1 金相組織分析

現場通過對右側三通裂紋附近位置的焊縫及連接管母材位置進行金相分析，金相組織如圖5、圖6所示。通過觀察分析可判斷該材料組織為鐵素體+回火貝氏體，未見明顯球化，球化等級為2～3級。焊縫區域晶粒細碎，母材區域晶粒粗大。焊接時形成不同組織之間的膨脹系數存在較大差異，將產生較大的組織應力和焊接應力，易導致冷裂紋產生。

圖5 右側焊縫金相組織

圖6 右側連接管母材金相組織

2.2 硬度分析

DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督管理規程》要求：SA-335P22管道硬度為135～195(HB)；DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》規定：焊縫硬度不超過母材布氏硬度加100 HBW，且不超過300 HBW，同時不應低于母材硬度的90%。采用便攜式里氏硬度計對焊縫及母材位置進行硬度檢測，結果如表1所示。由表1可知，焊縫硬度較母材硬度高出100 HB且部分焊縫硬度點已超過300 HB。當兩側硬度差異較大時應力將會增加，最終導致裂紋的產生。

表1 焊縫及連接管母材硬度值 單位：HB

2.3 材料化學成分分析

通過查閱資料SA-234WP22CL1與SA-335P22是ASME規范中用于鍋爐結構中的一種常用鋼材，供貨熱處理形式為正火+高溫回火。表2列出了ASME標準中規定的母材化學成分，根據其化學成分可知，其含有較多Cr、Mo等合金元素，而較多的合金成分在管材焊接后焊縫及熱影響區存在較大的淬硬性傾向，導致冷裂裂紋傾向加大。加上管件壁厚較大，焊接性能較差，在焊接時如果輸入的線能量過大時，焊縫內的晶粒將顯著變大，使焊接接頭的韌塑性降低。

表2 SA-335P22及SA-234WP22CL1的化學成分 單位：%

現場采用便攜式光譜分析儀對焊接接頭及附近的母材進行化學成分分析，如表3所示。通過與表1比較可知，該焊縫焊接接頭的化學成分在標準規定范圍內。

表3 焊縫及母材化學成分

2.4 焊接工藝分析

連接管道和集箱三通的連接焊縫為安裝現場焊接口且厚度較大，采用手工鎢極氬弧焊(GTAW)打底+手工電弧焊(SMAW)填充、蓋面的多層多道焊接施工工藝[2]。這種焊接工藝在焊接時熔池凝固過程中，因不同層的熔敷金屬凝固速度不同從而產生溫差應力，應力釋放不充分，導致焊接殘余應力留存，這些焊接殘余應力在焊后熱處理后未能徹底消除。其次，在現場焊后熱處理過程中，加熱器布置不規范，不均勻的加熱功率導致熱處理區域產生新的殘余應力[3]。在熱處理過程中三通兩端散熱，同時還有與集箱連接的受熱面小徑管散熱，使焊接預熱和后期熱處理過程中升溫速度不同，產生溫差應力。焊后進行高溫回火熱處理不僅不能消除焊接殘余應力，還有可能形成新的熱處理殘余應力，而且殘余應力在結構中會長期存在。

3 焊縫修復措施

ASME規范中SA-234WP22CL1與SA-335P22屬于珠光體型耐熱鋼，通過添加Cr、Mo等合金元素來提高鋼材的耐磨和抗高溫性能，同時由于合金元素的添加使金屬的淬硬性傾向明顯增加，在焊接過程中如果溫度控制不當會產生淬硬性馬氏體組織。本次焊縫裂紋修復的重點在于控制再熱裂紋的敏感區范圍，減少焊縫內殘余應力，控制好升溫和降溫速度以避免焊縫內粗晶區的產生。另外，在焊接過程中還可以使用尖頭焊縫檢驗錘均勻錘擊焊縫表面，使焊接殘余應力得到有效釋放。在進行焊后熱處理時由于集箱三通結構的原因，溫度較難達到標準要求，故在加熱器的布置和升溫速度與保溫時間的控制要合理規劃，避免焊件在熱敏感區停留過長時間，主要工藝要點如下。

3.1 裂紋的消除

由于裂紋分布比較廣泛，故此次采取整體環切的方式進行消缺處理。在切割前應注意對末級過熱器進口集箱的本體及相關管系進行加固工作，確保在三通處環焊縫在切削過程中整體受力合理、系統穩定、管道不產生移位以避免出現管系變形影響后續的焊接工作。在切割過程中要對焊口裂紋情況進行多次無損檢驗復查，在缺陷完全消除后即可停止切割，不可對焊縫切割過多導致不必要的焊接量。經表面無損檢測確認裂紋徹底消除后，開始進行焊前的準備工作。對已消除缺陷的部位向兩側開坡口，為避免坡口兩側的雜物對焊接過程造成影響，在坡口兩側15 mm的范圍進行打磨直到露出金屬光澤，坡口寬度能夠保證焊條擺動寬度，可有效控制母材和焊縫的熔合比，防止超標缺陷的出現。

3.2 焊接及熱處理

根據鍋爐熱箱內高溫集箱鑄造三通裂紋具體情況，依據相關技術規程中返修焊件的相關標準制定了焊接及熱處理工藝卡，焊接方面重點從預熱溫度、層間溫度、焊接電流、焊接電壓、焊層厚度等參數進行全面監控。焊接及熱處理作業人員進行具備滿足相應焊接方法的焊接資質并持證上崗。由于是返修焊接，焊縫裂紋的消除應邊車削邊檢測至缺陷消失即可，無需一次性將焊縫車削到底。裂紋消除后再根據實際情況選擇合適的焊接方法，焊接時加強對焊接過程中的質量管控，確保不出現焊接原因的返修問題。每完成一層進行自檢合格后才能進行下一層焊接，并根據焊口的實測溫度對預熱溫度進行隨時調整。在焊縫的焊接修復過程中要用尖頭錘均勻錘擊焊道使整個焊層表面形成麻點，使焊接時的應力得到部分釋放，焊接時每道焊縫最好能夠一次性完成。當焊接過程中發現表面有咬邊等缺陷時，應修磨至平滑過渡，以防止應力集中導致延遲裂紋和再熱裂紋的產生。焊接完成后應將焊口表面影響熱處理的異物打磨消除，如焊瘤、焊渣、金屬飛濺物等，確保加熱器能夠焊接接頭表面充分接觸。整體焊接完成后如果現場條件允許應當立即進行焊后熱處理工作。

焊前預熱﹑焊后熱處理方面重點從加熱時間、升溫速度、保溫時間等參數進行監控。在預熱過程中熱電偶的布置應設置在焊縫坡口附近，除監控熱電偶外，還要用遠紅外測溫儀每隔一段時間測量坡口處溫度，確保坡口處溫度能夠達到規定的熱處理溫度。在焊接的預熱及焊后熱處理的分區數量與控溫熱電偶的布置如圖7所示。由于是修復焊接，需注意對加熱器的合理布置，加熱過程中溫度散失的補償工作。測溫點應沿焊縫的12：00、3：00、6：00、9∶00位置均勻布置。其中控溫熱電偶布置于焊縫中心，其他監測熱電偶布置于距焊縫邊緣兩側70 mm處，以確保熱處理溫度準確、可靠[4]。

圖7 熱電偶布置示意圖

根據管壁厚度，預熱溫度設置在200～300 ℃，達到設定溫度保持恒定后開始焊接工作。焊后熱處理的加熱寬度從焊縫中心起單側應不少于500 mm，加熱范圍內任意兩測點的溫差應不大于50 ℃。保溫寬度從焊縫中心算起單側應不少于650 mm。焊接熱處理升溫速率、降溫速率應控制在90 ℃/h，焊后熱處理的保溫時間按焊縫的名義厚度δ′的2～3 min/mm計算，但最少不應低于30 min[5]。其中焊縫的名義厚度δ′應按照下列公式計算：

h<5 mm時，δ′=3h+5 mm；

h=5～10 mm時，δ′=2h+10 mm；

h>10 mm時，δ′=h+20 mm。

式中：h為返修焊縫厚度，mm。

3.3 焊后檢驗

為了進一步消除殘余應力，應在焊接熱處理完成后將焊縫的余高打磨至與管道母材齊平。由于此類鋼材具有再熱裂紋傾向，熱處理完成后48 h再對焊接接頭進行100%的目視檢測、無損檢測、里氏硬度檢測。目視檢測應使用10倍放大鏡觀察焊縫表面是否存在咬邊、未熔合、未焊透、氣孔等超標缺陷，焊接接頭起弧和收弧位置的質量等。焊縫焊接接頭無損檢測按NB/T 47013《承壓設備無損檢測》要求進行表面和超聲檢測。使用便攜式硬度儀對焊接接頭進行硬度檢測，沿焊縫周向檢測4處，每處檢測5點取平均值。

4 結論

本文從結構尺寸及應力、材料焊接性能及焊接工藝等方面分析了鍋爐末級過熱器進口集箱三通焊縫裂紋產生的原因，提出了合理的焊接及熱處理工藝對裂紋缺陷修復。針對缺陷分析及處理過程，在后期的技術監督時提出建議。

a.該類型三通結構頸部較短、壁厚過渡明顯，焊接時會增加內應力的產生，并且在現場施工時難以保證熱處理溫度的均勻度，故在機組檢修期間要把此類型的三通列為監督部件，加強監督檢驗力度，如有缺陷再進行擴大性檢驗。機組啟停和運行期間盡量避免溫度壓力的大幅度波動等，保證機組安全運行。

b.在修復此類三通焊縫缺陷時需要注意輸入小的焊接線能量以及較高的預熱溫度。焊后每層都用錘子錘擊焊道釋放焊接應力，焊后熱處理時要采用輔助加熱、增加保溫厚度和加熱寬度，保證熱處理效果。

c.焊接時每道焊的焊接接頭應合理布置，相互錯開一定距離，并且在焊接時應盡量一次連續施焊完成。焊接過程中，保證焊縫30～500 mm范圍內母材溫度在要求范圍內，焊接層間溫度控制在300 ℃以下。當焊接中斷時，立即進行300～350 ℃，15～30 min的后熱且緩冷處理。再次施焊時應對焊口進行100%表面檢測，確認沒有超標缺陷后再進行焊接作業。焊接完成后，對焊縫余高進行打磨至與母材齊平以減少焊接殘余應力[6]。此類焊縫具有再熱裂紋傾向，故需在焊縫熱處理完成后48 h再進行所有檢測項目，以確保無超標缺陷產生。