鍋爐汽包、聯(lián)箱和厚壁管的焊接問題

1、鍋爐汽包、聯(lián)箱和厚壁管的焊接問題(100083) 北京花園東路 14 號(hào)院信息中心宿舍 623 號(hào)趙旺初摘要 ：鍋爐汽包、聯(lián)箱和厚壁管的缺陷返修補(bǔ)焊， 是一項(xiàng)難度較大的工作， 本文收集了我國某些火電廠上述部件的缺陷修復(fù)實(shí)例， 按同種鋼焊接與異種鋼焊 接，筒體環(huán)縫補(bǔ)焊與管座角縫補(bǔ)焊的工藝、檢驗(yàn)、熱處理等分類作重點(diǎn)介紹。關(guān)鍵詞 ：焊接 汽包 聯(lián)箱 厚壁管1 前言鍋爐汽包、 聯(lián)箱和蒸汽管道因不直接受熱， 機(jī)械應(yīng)力一般較小。它的焊接缺 陷，往往在投運(yùn)后許多年才暴露。 一旦發(fā)現(xiàn)，如不及時(shí)處理將嚴(yán)重威脅安全運(yùn)行。 汽包、聯(lián)箱和蒸汽管道壁厚較大，材料有低碳鋼也有合金，這些部件的焊接，有 同種鋼焊接也有異種鋼

2、焊接，對 焊接要求較高，尤其是在電廠現(xiàn)場焊接條件較 差，如何保證焊接質(zhì)量應(yīng)十分重視。2 等壁厚同種鋼的環(huán)焊2.1 低碳鋼環(huán)爐太原第一熱電廠 2 號(hào)爐是前蘇聯(lián)巴爾納烏爾鍋爐廠出品的中溫中壓爐。 汽包 外徑1382mm壁厚48mm長8505mm 20號(hào)鋼制成，原焊縫為埋弧自動(dòng)焊。該鍋 爐已運(yùn)行三十多年，于 1992 年 12 月大修時(shí)發(fā)現(xiàn)汽包環(huán)焊縫多處裂紋，其中超 標(biāo)的兩段見圖1。A段裂紋長400(907-557)mm, B段長160(290-130)mm。 該汽包為 20 號(hào)鋼，焊接性能好。制造廠未提供缺陷處理的原始資料，安裝時(shí)和 投產(chǎn)后亦無焊縫裂紋記錄， 單憑這次大修的發(fā)現(xiàn)， 很難對裂紋的產(chǎn)生

3、作出正確的 原因分析。 現(xiàn)將該廠現(xiàn)場修復(fù)的坡口加工、 焊接和熱處理的工藝， 以及焊后檢驗(yàn) 等扼要介紹如下。補(bǔ)焊坡口開在汽包外壁，采用機(jī)械方法備制坡口。焊條選用507, 14層用 松2,其余各層用 g焊條。為了防止裂紋的產(chǎn)生，焊前后進(jìn)行熱處理，熱處理 采用遠(yuǎn)紅外加熱器，控制設(shè)備為 WDK-312C可編程溫度控制柜和DKJ-C自動(dòng)控制 儀。焊后質(zhì)量檢驗(yàn)合格。2.2 錳鋼環(huán)焊湖南鯉魚江電廠8號(hào)爐型號(hào)為DG300/100-4,汽包參數(shù)為 1600X90mm19Mn5 鋼，工作壓力1 1.27 MPa，飽和溫度320C。該爐1981年投運(yùn)，1991年在東北 電管局鍋爐檢測中心派員指導(dǎo)下，經(jīng)超聲波探傷，發(fā)

4、現(xiàn)一條編號(hào)為H2的環(huán)焊縫和一條Z3縱焊縫有裂紋群。H2裂紋走向均為垂直于環(huán)縫的裂紋群，絕大部分裂 紋埋藏深度范圍為距內(nèi)壁2070mn處，裂紋長度為522mm裂紋沿H2環(huán)縫周 向分布范圍約90mm見圖2。Z3縱縫裂紋走向?yàn)榘俗中?，與汽包縱向軸線成 45 的夾角，裂紋長716mm 18條互不相連的裂紋。H2裂紋為密集型裂紋群，裂 紋群區(qū)域內(nèi)的金屬材料質(zhì)地已惡化。經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算 H2裂紋群區(qū)域?qū)嶋H對強(qiáng)度的有 效壁厚，已小于汽包強(qiáng)度計(jì)算要求的最小壁厚，屬不安全、應(yīng)修理的缺陷。 Z3 裂紋群計(jì)算結(jié)果尚可滿足強(qiáng)度要求，可監(jiān)督運(yùn)行。 1995年湖南省電力局決定對 汽包H2環(huán)縫裂紋群進(jìn)行挖補(bǔ)處理 。由于裂紋最大埋

5、藏深度達(dá)80mm如裂紋清除單純只采用機(jī)械方法，則工作 量很大，該廠采取先用碳弧氣刨刨除法，刨除到離缺陷最深處位置約20mm處，然后采用機(jī)械方法清除剩余裂紋。此法既減小了工作量又避免氣刨時(shí)擴(kuò)大裂紋。 碳弧氣刨前，先用乙炔焰預(yù)熱控制區(qū)域到 10 0150C。當(dāng)裂紋分布區(qū)經(jīng)碳弧氣 刨后還剩有約20mm的金屬時(shí)，改用角向砂輪磨削。補(bǔ)焊坡口修磨成形后，須經(jīng) 滲透探傷檢查，證明刨削打磨過程未出現(xiàn)任何新裂紋或原裂紋延長才能 施焊。 為了避免焊接應(yīng)力導(dǎo)致補(bǔ)焊區(qū)產(chǎn)生裂紋，該電廠采取如下措施： a焊前預(yù)熱200250C，補(bǔ)焊中保持此溫度； b 按程序補(bǔ)焊，即由坡口兩側(cè)往中間進(jìn)行，采取單向不擺動(dòng)的運(yùn)條法； c 每焊

6、完一道，立即跟蹤錘擊消除殘余應(yīng)力； d 焊接電流不宜太大。焊接速度不要太快；e當(dāng)補(bǔ)焊到工作量的1/3時(shí)，進(jìn)行中間消氫處理，消氫處理溫度為 300400C, 保溫 2h； f 補(bǔ)焊完畢即進(jìn)行消氫處理和去應(yīng)力退火。圖 3 系整個(gè)熱處理工藝曲線。焊補(bǔ)熱處理后質(zhì)量鑒定十分重要， 包括外觀檢查、 硬度測量、 無損探傷和汽 包彎曲度測定。該汽包補(bǔ)焊后檢驗(yàn)合格，現(xiàn)已經(jīng)過數(shù)年運(yùn)行考驗(yàn)。3錳鋼和碳鋼厚壁管之間的角焊錳鋼和低碳鋼都屬可焊性較好的鋼種， 但因?yàn)槭谴蠊軓健?厚壁、異種鋼的角 焊，且用于高溫高壓鍋爐，焊縫缺陷將威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。廣西合山電廠6號(hào)爐為DG410/100-3型。汽包材料19Mn外徑178

7、0mm壁厚90mm 汽包4根集中下降管管座材料為20號(hào)鋼，管外徑467mm管壁厚80mm該爐 1978年投運(yùn)后到 1 994年大修時(shí)累計(jì)運(yùn)行 62816h。1982年首次發(fā)現(xiàn)汽包集中下降管一管座角焊處有一面積28x 12mm2深約90mm勺面狀缺陷。后與制造廠共同檢驗(yàn)、判斷為未熔合。根據(jù)JB1152-81，該缺陷尚未超標(biāo)。1985年復(fù)檢，該缺陷無變化，但在相距15mn處又發(fā)現(xiàn)一 17x 13mm2 面狀缺陷，按JB1152-81仍未超標(biāo)。在以后的測試中，兩缺陷端點(diǎn)的距離逐年減 小，至 1994年大修探傷發(fā)現(xiàn)，兩缺陷相鄰端點(diǎn)勺探傷回波相互覆蓋，顯示為 1 個(gè)面狀大缺陷。 改變探頭晶片尺寸、 頻率

8、和入射方式等進(jìn)行核查， 也證明兩個(gè)已 并成1個(gè)缺陷。缺陷面積約55x 22mm2距探面深（8696）mm是一條朝向汽包 壁厚方向的裂紋。裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的原因， 首先是制造廠出廠時(shí)未查出角焊處已有的塊狀未熔 合。該爐投運(yùn) 20 年來啟停爐超過 200次，又有兩年機(jī)組參加調(diào)峰的記錄，促使 塊狀未熔合發(fā)展。在裂紋部位的內(nèi)壁用遠(yuǎn)紅外加熱到 150C。加熱面積以缺陷為中心，向周圍 擴(kuò)展（350400）mm范圍。用碳弧氣刨刨至適當(dāng)?shù)纳疃?，再用機(jī)械方法徹底剔除 裂紋，然后打磨修成補(bǔ)焊的坡口，見圖 4。熱處理采用遠(yuǎn)紅外線幅射、 復(fù)帶式遠(yuǎn)紅外陶瓷塊。 全覆蓋法遠(yuǎn)紅外可按下式計(jì)算 其容量。P=KDS式中 P 加熱

9、功率， W；D 聯(lián)箱或管座直徑， mm； S 聯(lián)箱或管座壁厚， mm；K系數(shù)，可選。聯(lián)箱1.0，管座0.8W/mm2合山電廠補(bǔ)焊后熱處理工藝按圖 5進(jìn)行，升溫時(shí)內(nèi)外壁溫差控制在400C。 降溫時(shí)到300C以下緩冷至環(huán)境溫度。熱處理后進(jìn)行上述各項(xiàng)檢驗(yàn)、證明合格4以X20CrMoV12為管材的角焊X20CrMoV121（F12為馬氏體不銹耐熱鋼，廣泛用于電廠中 500600C以下 的蒸汽管道和聯(lián)箱等。F12鋼有良好的力學(xué)性能和其它方面的優(yōu)良品質(zhì)。F12合 碳量C為0.170.23%,當(dāng)CV0. 17%時(shí)，鋼中易產(chǎn)生自由鐵素體，因而降低蠕 變強(qiáng)度。C增加到0.20%,可以不出現(xiàn)自由鐵素體，但當(dāng) C再

10、增加時(shí)會(huì)引起鋼的 淬硬性上升，不利于焊接，故以 0.23%為高限。為此，F(xiàn)12在焊接過程中，應(yīng)避 免發(fā)生碳的遷移導(dǎo)致脫碳和增碳現(xiàn)象。 F12 鋼含合金元素高，冷淬傾向大 ，又 多用于大直徑厚壁管，拘束度大，冷裂紋敏感性高； F12 鋼還有較大的晶粒粗化 和回火脆性，焊接時(shí)熱影響區(qū)易出現(xiàn)軟化帶現(xiàn)象。4.1 實(shí)例之一 洛河電廠洛河電廠2號(hào)爐SG1000-170/555-M307型亞臨界中間再熱直流鍋爐、雙燃燒 室U型布置。該爐高溫過熱器出口聯(lián)箱、主汽集汽聯(lián)箱、再熱汽集汽聯(lián)箱和壓力 平衡管均為 F1 2鋼，與這些聯(lián) 箱相角焊的管座為 12Cr1MoV。 2號(hào)爐 1998年 10 月投運(yùn)，累計(jì)運(yùn)行49

11、114h后，發(fā)現(xiàn)了下述問題。首先在主汽集汽聯(lián)箱一側(cè)電磁閥一次門進(jìn)口管座角焊處有輕微泄漏。 為此，對管 座作全面檢查， 共發(fā)現(xiàn) 58只管座角焊縫有裂紋， 占全部同類型 70只管座角焊縫 的82.8%。裂紋最長達(dá)380 mm 裂紋深均在1.5mm-8.5mm之間。4.1.1 裂紋形態(tài)和走向與管座根部受力情況有關(guān)，其角焊縫裂紋情況如下。4.1.1.1 安全閥管座角焊縫裂紋沿角焊縫管座一側(cè)的熔合線處產(chǎn)生， 環(huán)狀裂 紋由外向內(nèi)發(fā)展， 有明顯的方向性。 裂紋產(chǎn)生的部位都在非排汽管側(cè)， 向兩端擴(kuò) 展伸延。4.1.1.2電磁釋放閥和向空排汽閥管座角焊縫的裂紋也是沿管座側(cè)熔合線產(chǎn)生的， 但 無方向性。角焊縫的四

12、周均有階段性裂紋，深度在5.68.4mm之間，見圖6,部分裂紋已裂通漏汽。4.1.1.3導(dǎo)汽管兩端管座角焊裂紋也產(chǎn)生在管座側(cè)熔合線上， 裂紋部位均在無導(dǎo)汽管 一側(cè)，即受力側(cè)，如圖7,深度在1.53.5mm間，但有兩處深達(dá)7mm4.1.2產(chǎn)生裂紋的原因聯(lián)箱材料F12,壁厚80mm但管座為12Cr1MoV鋼，兩種鋼Cr含量相差 10.10%11.30%。由于 焊接過程中碳的遷移，形成了具有塑性形變能力的脫碳 帶和形變能力差的增碳層， 在界面附近將產(chǎn)生很大的應(yīng)力。 下面分析裂紋產(chǎn)生的 原因。4.1.2.1焊條選用不當(dāng)原制造廠選用R817焊條，即選用了化學(xué)成分接近于 F12的馬氏體焊條。由 于C與Cr

13、的親和力比C與Fe親和力要大，R817焊條會(huì)造成熔合帶在12Cr1Mo 側(cè)產(chǎn)生脫碳層， 珠光體中的滲碳體蛻化為鐵素體， 強(qiáng)度和硬度明顯下降。 硬度試 驗(yàn)表明熱影響區(qū)12Cr1MoV勺一側(cè)的硬度只有焊縫硬度的一半，也證明了這點(diǎn)。4.1.2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力所致同類型角焊管座 70 個(gè)中，有裂紋的 58個(gè)都受到機(jī)械應(yīng)力，未產(chǎn)生裂紋的12 個(gè)都不受機(jī)械應(yīng)力 ，所以說結(jié)構(gòu)應(yīng)力也是裂紋產(chǎn)生的原因之一。 安全閥排汽時(shí)，在出口排汽管彎頭處有 90彎頭，對彎頭產(chǎn)生較大的向下推力， 安全閥根部形成較大的彎曲應(yīng)力矩。該彎曲力距在焊縫上產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力。 這是個(gè)間歇應(yīng)力，因?yàn)橹挥性诎踩y排汽才產(chǎn)生，應(yīng)力大小與排汽

14、量相關(guān)。過熱器出口導(dǎo)汽管較長，該管規(guī)格 159X25，鋼管加上保溫層重量較大，又無 支吊架，對管座角焊處形成一個(gè)長的懸臂木梁， 懸臂的彎曲應(yīng)力導(dǎo)致裂紋， 且都 發(fā)生在角焊縫非導(dǎo)汽管一側(cè)，見圖 7。電磁釋放閥和向空排汽閥， 由于結(jié)構(gòu)上的原因， 導(dǎo)致排汽時(shí)造成閥門及進(jìn)汽 管座劇烈擺動(dòng)， 這不同于彎曲應(yīng)力，所以角焊縫的裂紋沒有明顯的方向性，見 圖 6 。4.1.3 消除裂紋及補(bǔ)焊措施4.1.3.1 消除產(chǎn)生裂紋的結(jié)構(gòu)機(jī)械應(yīng)力 安全閥排汽管支座的固定螺栓改為活動(dòng)狀態(tài)， 能上下移動(dòng)， 使排汽管能自由膨脹，避免排汽時(shí) 產(chǎn)生彎曲應(yīng)力矩。電磁釋放閥和向空排汽閥的排汽管加裝導(dǎo) 向支架，使排汽管只能上下膨脹，不能

15、橫向擺動(dòng)，并加固管座以增加其強(qiáng)度，改 變原有自然頻率以防共振。過熱汽聯(lián)通導(dǎo)管增 加滑動(dòng)支架，既能支撐導(dǎo)管的重 量，又能自由膨脹，從而消除了管座角焊處的懸臂應(yīng)力。4.1.3.2 改善焊接工藝和檢驗(yàn)改用R407焊條以防止碳擴(kuò)散遷移，關(guān)鍵在于按圖 8嚴(yán)格熱處理工藝，嚴(yán)格 控制焊接過程中層 間溫度。熱處理后檢驗(yàn)中焊縫硬度應(yīng)小于 HB300且不大于母 材硬度加 100。4.2 關(guān)于進(jìn)口機(jī)組類似裂紋蒲城發(fā)電廠 1 號(hào)爐為 1100t/h 直流蒸汽鍋爐， 從羅馬尼亞進(jìn)口， 在安裝時(shí)隨 機(jī)取樣檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第 3 級(jí)過熱器出口聯(lián)箱有兩根管座角焊處有裂紋。該聯(lián)箱材料為10CrMo910規(guī)格為364X40m m 設(shè)計(jì)壓

16、力22.7MPa,工作溫度486C。4.2.1 蒲城電廠 1 號(hào)爐角焊裂紋形貌切片檢查有 60%的取樣切片發(fā)現(xiàn)有裂紋， 裂紋都在管座側(cè)的熔合線和熱影響區(qū)內(nèi)，裂紋沿深度方向最長44.5mm 1號(hào)樣環(huán)向裂紋長21.7mm 2號(hào)樣環(huán)向裂 紋25.1mm裂紋呈波浪與管座軸線成30角，與熔合線夾角是1015裂紋分 支少，內(nèi)有氧化物，見圖 9。角焊縫熱影響區(qū)和熔合線組織為回火索氏體加回火貝氏體。 按羅馬尼亞標(biāo)準(zhǔn) C1-85,焊縫微觀分析的結(jié)果是不允許存在有回火貝氏體的。 電子掃描鏡斷口分析結(jié)果： 試樣均為沿晶開裂、 斷口上有較多的氧化物。 聯(lián)箱與 管座的 Cr 含量相差多達(dá) 9.5%，導(dǎo)致碳的遷移，在熔合線焊縫側(cè)明顯存在很寬的 脫碳層帶。4.2.2蒲城電廠 1 號(hào)爐角焊縫裂紋原因分析蒲城電廠 1 號(hào)爐第 3級(jí)過熱器出口聯(lián)箱的兩根管座角焊縫裂紋據(jù)我方分析是 由于焊接工藝不當(dāng)， 在角焊縫管座則熔合線附近產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力， 同時(shí)由于 碳的遷移和脫碳、增碳造成影響區(qū)脆性增大，導(dǎo)致裂紋在影響區(qū)擴(kuò)展。5關(guān)于焊接標(biāo)準(zhǔn)檢查焊接內(nèi)在缺陷的 X 射線拍片屬抽查， 抽查數(shù)量甚少， 抽查結(jié)果也允許某 些缺陷不同程度的存在。 筆者建議對汽包、 聯(lián)箱和管道的焊接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)再嚴(yán)格一 些，因?yàn)樗鼈兊奈恢煤苤匾?缺陷一旦