電廠后屏出口三通裂紋

1、科 學(xué) 技 術(shù) 報 告中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析報告電力科學(xué)研究院二一六年七月二十八日密級：普通商秘質(zhì)量記錄號：QGL.LJDKJ022012 編號：2016001項目名稱：中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析負責(zé)單位：某省電力科學(xué)研究院有限公司委托單位：中電投某熱電公司項目負責(zé)人：主要參加人員：編 寫：初審：審定：批 準(zhǔn)：摘要中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫，多次出現(xiàn)裂紋，分析的原因為：應(yīng)力的疊加，再熱裂紋的敏感性，部件結(jié)構(gòu)的不利影響。關(guān)鍵詞：焊縫裂紋應(yīng)力目錄1前言12設(shè)備簡介13無損探傷1

2、4光譜分析25理化檢驗36綜合分析47結(jié)論與建議8中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析1前言2014年10月11日，中電投某熱電公司4號鍋爐運行中，發(fā)生后屏過熱器聯(lián)箱乙側(cè)出口三通與彎頭對接焊口開裂事故。2015年7月5日，某省電力科學(xué)研究院有限公司金屬所，首次對某熱電廠4號鍋爐進行內(nèi)部定期檢驗，發(fā)現(xiàn)后屏過熱器出口聯(lián)箱甲側(cè)、乙側(cè)三通與彎頭對接焊口存在危害性裂紋缺陷，該位置重新焊接后再次出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋缺陷，嚴(yán)重影響電廠安全運行。應(yīng)中電投某熱電公司請求，某省電力科學(xué)研究院有限公司負責(zé)對焊口裂紋事故進行分析，確定導(dǎo)致焊口開裂的原因，并給出相應(yīng)的事故處理意見。2設(shè)備簡介中

3、電投某熱電公司4號鍋爐型式為HG-1165/17.5-HM3 型，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司制造， 2011年1月6日投產(chǎn)。最大連續(xù)蒸發(fā)量： 1165t/h，再熱蒸汽流量： 969.3 t/h，汽包壓力： 19.0Mpa，過熱器出口壓力： 17.5Mpa，溫度： 540，循環(huán)方式：單汽包自然循環(huán)一次中間再熱，燃燒方式及噴燃器布置方式：煤粉懸浮燃燒、四角切圓燃燒。后屏過熱器聯(lián)箱出口三通材質(zhì)為12Cr1MoVG，規(guī)格為406×406×508mm。哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的同種類型鍋爐共有210臺，后屏過熱器聯(lián)箱出口三通與彎頭對接焊口出現(xiàn)開裂的共有3臺，該位置的故障率為1.43%。201

4、2年，牡丹江第二發(fā)電廠8號鍋爐運行中后屏過熱器聯(lián)箱出口三通與彎頭對接焊口開裂，割開該位置的焊口，按照哈鍋的焊接工藝重新焊接后經(jīng)檢驗合格，至今未發(fā)現(xiàn)問題。濱州電廠的鍋爐在基建過程發(fā)現(xiàn)后屏過熱器聯(lián)箱出口三通與彎頭對接焊口開裂，經(jīng)返修處理后合格。3無損探傷2014年10月11日，中電投某熱電公司4號爐運行中，工作人員巡回檢查時發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)現(xiàn)鍋爐頂部冒汽嚴(yán)重。停爐冷卻后，進入二次密封檢查，發(fā)現(xiàn)后屏過熱器聯(lián)箱乙側(cè)出口三通與彎頭對接焊口開裂，裂口很大，已經(jīng)裂透；裂口沿焊縫周向分布，長度占周長的五分之四。某省電力科學(xué)研究院有限公司金屬所采用磁粉探傷、滲透探傷方法擴大檢查時發(fā)現(xiàn)，后屏過熱器聯(lián)箱甲側(cè)出口三通與彎

5、頭對接焊口也有裂紋，位置在彎頭的外弧側(cè)，但未裂透。在返修補焊的過程中，后屏過出口聯(lián)箱乙側(cè)出口三通與彎頭對接焊口補焊后出現(xiàn)裂紋缺陷，打磨46mm后裂紋消失。 甲側(cè)出口三通與彎頭對接焊口補焊后在爐前側(cè)半圈再次出現(xiàn)裂紋缺陷，重新挖補處理后合格。 2015年7月5日，某省電力科學(xué)研究院有限公司金屬所首次對某熱電廠4號鍋爐進行內(nèi)部定期檢驗。無損探傷過程中，發(fā)現(xiàn)多處危脅電廠安全運行的危害性缺陷，其中：后屏過熱器出口聯(lián)箱乙側(cè)三通彎頭對接焊口存在裂紋缺陷，位置在焊口甲側(cè)，沿周向長約400mm，沿周向分布長達三分之一周長，且接近穿透；后屏過熱器出口聯(lián)箱甲側(cè)三通彎頭對接焊口存在裂紋缺陷，位置在焊口甲側(cè)，沿周向長約

6、200mm，沿周向分布達圓周的四分之一。將甲側(cè)、乙側(cè)兩個彎頭整體割下，重新焊接。彎頭與直管連接的兩個焊口檢驗后合格。但是彎頭與三通連接的兩個焊口重新焊接后再次出現(xiàn)裂紋；其中甲側(cè)焊口裂紋較淺，經(jīng)打磨處理后合格，而乙側(cè)焊口裂紋深達50多毫米，必須重新挖補焊接。乙側(cè)焊口裂紋形貌見圖1。圖1 分隔屏夾屏管外表面裂紋形貌圖1 屏式過熱器出口聯(lián)箱乙側(cè)三通彎頭對接焊口裂紋形貌4光譜分析用x射線衍射直讀式金屬光譜分析儀分析三通、彎頭、焊縫的合金成分，通過多次測量求平均值，合金成分光譜分析結(jié)果見表1。鉻Cr、鉬Mo、釩V、錳Mn等合金成分符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB53102008對12Cr1MoVG的要求。表1 光譜分析

7、平均結(jié)果鉻Cr(%)鉬Mo(%)釩V(%)錳Mn(%)銅Cu(%)鈦Ti(%)彎頭1.010.290.150.530.19三通1.050.260.160.450.17焊縫1.190.540.230.692.715理化檢驗在靠近焊縫熱影響區(qū)，分別對三通和彎頭做金相檢驗。拋光侵蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，見圖2、圖3。金相組織均為鐵素體+珠光體，沒有金相組織偏析，晶界上有少量碳化物，珠光體為層片狀，形態(tài)清晰，珠光體球化等級為2級，金相組織正常。圖2彎頭的金相組織 放大200倍圖3三通的金相組織 放大200倍三通和彎頭的材質(zhì)為12Cr1MoVG，硬度合格范圍是布氏硬度HB131197。三通和彎頭實測

8、硬度值在HB140153之間，合格。焊縫硬度HB210227，焊縫硬度合格。6綜合分析后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫在運行中和返修過程中，連續(xù)多次出現(xiàn)裂紋缺陷，開裂的程度相當(dāng)嚴(yán)重，是機組安全運行的重大隱患。針對上述情況，以下從應(yīng)力狀況、部件結(jié)構(gòu)、焊接熱處理幾方面進行分析探討。6.1應(yīng)力狀況應(yīng)力是影響安全運行的關(guān)鍵因素。管道應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。一次應(yīng)力是指管道在內(nèi)壓、自重和其它外載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力；二次應(yīng)力是指管道在熱脹、冷縮或其它位移受約束時產(chǎn)生的應(yīng)力，這些應(yīng)力的疊加，是生成裂紋的應(yīng)力因素。一般情況下，導(dǎo)致開裂應(yīng)力主要包括管系拘束應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接應(yīng)力、機組起停、運行方式變化

9、產(chǎn)生的附加應(yīng)力。要保證管道安全運行，管系結(jié)構(gòu)和受力合理是必要條件。要求設(shè)計合理、安裝正確、運行使用得當(dāng)。管系要有良好的補償能力，其熱膨脹不應(yīng)受到“非法”的約束，管系不應(yīng)有大幅度的低頻振動。在現(xiàn)場檢查后屏過熱器出口聯(lián)箱時發(fā)現(xiàn)，該處有四根水冷壁上集箱引出管支吊架殘缺不全，導(dǎo)致支吊架失效，使水冷壁上集箱引出管的部分重量壓在后屏過熱器至末級過熱器導(dǎo)管上。水平方向也發(fā)現(xiàn)有水冷壁上集箱引出管與后屏過熱器導(dǎo)管發(fā)生剛性接觸。圖4 水冷壁上集箱引出管壓在后屏過熱器出口聯(lián)箱導(dǎo)管上圖5 水冷壁上集箱引出管與后屏過熱器出口聯(lián)箱導(dǎo)管的水平剛性接觸后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫，正處在管道彎曲變化較大的應(yīng)力集中部位

10、，是整個管路最薄弱的區(qū)域。在一定的外力作用下，此部位的焊縫容易開裂。圖6 后屏過熱器出口聯(lián)箱及導(dǎo)管示意圖后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫，除了承受內(nèi)壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力外，負荷變化在材料內(nèi)部產(chǎn)生溫差，承受嚴(yán)重的熱應(yīng)力，還需承受來自連接導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。連接導(dǎo)管總長度多，彎弧變化大，連接管道本身在水平方向和垂直方向也有熱膨脹，因此在三通與彎頭對接焊縫根部產(chǎn)生較大的彎矩作用。由于此位置水冷壁上集箱引出管未安裝支吊架，水冷壁上集箱引出管的部分重量壓在后屏過熱器至末級過熱器導(dǎo)管上，這會帶來三方面的不利影響：1、后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫，不得不承受超出設(shè)計要求的附加的彎矩作用，提高了應(yīng)力幅度；

11、2、鍋爐運行過程中，水冷壁上集箱引出管使后屏過熱器導(dǎo)管熱膨脹受到“非法”的約束，增加裂紋萌生的可能性；3、水冷壁上集箱引出管在運行中對后屏過熱器導(dǎo)管產(chǎn)生振動作用。裂紋產(chǎn)生于彎頭外弧側(cè)，彎頭內(nèi)弧側(cè)焊口不產(chǎn)生裂紋，表明裂紋的產(chǎn)生與應(yīng)力有高度相關(guān)性。管道支吊架在安裝和運行中存在受力不合理等問題時，將導(dǎo)致管系柔性不足，管道應(yīng)力升高，使管道運行達不到原設(shè)計要求。失效的支吊架會導(dǎo)致管道載荷重新分布，部分管段危險性增大，隨著時間的推移，管段應(yīng)力損傷加快，必然縮短其應(yīng)有的壽命，嚴(yán)重影響機組的安全運行，因此應(yīng)對相關(guān)位置支吊架進行全面檢驗與調(diào)整，確保運行時熱膨脹位移不受阻。綜合以上分析，多種應(yīng)力作用在應(yīng)力集中較大

12、的焊縫處，造成應(yīng)力疊加。由于疊加的組合應(yīng)力值過高，導(dǎo)致了焊縫在運行過程中產(chǎn)生裂紋。疊加的組合應(yīng)力過高，是產(chǎn)生裂紋的主因。6.2部件結(jié)構(gòu)三通與彎頭連接處脖頸較短，壁厚過渡明顯。三通與彎頭之間沒有過度段，三通的厚度較彎頭大。彎頭公稱厚度75mm，三通壁厚90mm，兩種均為大厚壁部件且壁厚相差較大。三通的下部連接眾多的小徑管。該結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中較大。這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)保證不了熱量的均勻釋放，導(dǎo)致溫度梯度大，由于壁厚差別較大，在現(xiàn)場施工的焊后熱處理時難以保證溫度均勻，從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。因此，該種結(jié)構(gòu)的三通焊口最佳的熱處理方法是爐內(nèi)處理，而不應(yīng)現(xiàn)場處理。三通與彎頭的復(fù)雜結(jié)構(gòu)增大了現(xiàn)場檢修難度，難以對焊縫內(nèi)部進

13、行超聲波探傷，焊縫的焊接質(zhì)量得不到保證。6.3焊接熱處理在挖補修復(fù)焊接過程中，后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭對接焊縫，在焊后熱處理中產(chǎn)生的裂紋位于焊縫熔合線附近的粗晶區(qū)中，發(fā)現(xiàn)的裂紋具有再熱裂紋特征。再熱裂紋是焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應(yīng)力熱處理或其它加熱過程）而產(chǎn)生的裂紋。再熱裂紋是由晶界滑移導(dǎo)致微裂形成而發(fā)生和擴展的。即在焊后熱處理過程中，殘余應(yīng)力松馳時，粗晶區(qū)應(yīng)力集中處的某些晶界塑性變形量超過了該處的塑性變形能力，當(dāng)應(yīng)力集中部位晶界局部的實際塑性變形大于該處產(chǎn)生裂紋的臨界變形能力時，晶界的結(jié)合力遭到破壞而產(chǎn)生空洞，就形成再熱裂紋。實際塑性變形與焊接接頭的拘束度、殘余應(yīng)力的大小以

14、及晶粒的大小有關(guān)。鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素會促使形成再熱裂紋，如珠光體耐熱鋼中的V元素，會使裂紋敏感性顯著增加；12Cr1MoVG含有一定量的沉淀強化元素，該材料具有一定的再熱裂紋敏感性。不同的鋼種存在不同的易產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度范圍。因此，在制定焊后熱處理工藝時，應(yīng)盡量減少焊件在敏感溫度范圍內(nèi)的停留時間。再熱裂紋的產(chǎn)生存在一個敏感的溫度區(qū)，一般低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度區(qū)間為在500700，600左右最為敏感。12Cr1MoVG鋼長期用作小管和中厚壁管材料，對再熱裂紋不敏感。近年來用于大厚壁管子、管件后，同類型的三通多次發(fā)現(xiàn)類似的缺陷，反映出該鋼種在制作大厚壁管子、管件時再熱裂

15、紋的敏感性增加。三通和彎頭是鍛件，材料的塑性差，焊接時產(chǎn)生裂紋的幾率大增。主要工藝要點如下：1、采用機械方法去除舊焊縫，防止去除舊焊縫的過程中產(chǎn)生過熱組織，影響隨后的焊接工作；2、再熱裂紋總是出現(xiàn)在拘束應(yīng)力或應(yīng)力集中的部位，焊接應(yīng)力越大越易產(chǎn)生，因此組裝珠光體耐熱鋼時要避免強力組裝，以減少組裝應(yīng)力，每層焊道進行錘擊消應(yīng)力； 3、后屏過熱器出口聯(lián)箱三通是大厚壁異形構(gòu)件，在熱處理的過程中必須考慮構(gòu)件整體受熱的均勻性，合理布置加熱器，防止熱處理后產(chǎn)生溫差附加應(yīng)力。綜合考慮加熱和散熱條件，導(dǎo)熱性差的焊件，形狀復(fù)雜、厚度比相差懸殊的焊件，厚度很大的焊件，宜采用較低的升溫速度，否則也可能誘發(fā)焊件開裂；4、

16、為防止產(chǎn)生再熱裂紋，必須采用較高的預(yù)熱溫度。焊前預(yù)熱及層間保溫要保證整個構(gòu)件受熱的均勻；5、大的焊接線能量使過熱區(qū)的晶粒更加粗大，晶界結(jié)合力更加脆弱，為防止晶粒嚴(yán)重長大增加再熱裂紋的敏感性，應(yīng)選用較小的焊接線能量；6、熱處理時應(yīng)注意溫度測點焊接是否牢固，加熱器與三通、管接頭之間貼合是否緊密，綁扎是否牢固，保溫層覆蓋厚度與范圍，線的連接是否可靠等，并密切監(jiān)督整個過程。熱處理后待構(gòu)件完全冷卻，對需檢測區(qū)域打磨干凈，顯露出金屬光澤，進行表面探傷，條件許可做超聲波檢測。加強焊后的無損探傷，以確定是否具有裂紋等危害性缺陷的存在，如果存在缺陷必須消除。7結(jié)論與建議通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：1、后屏過

17、熱器出口聯(lián)箱三通焊接裂紋是多種因素綜合作用產(chǎn)生的； 2、外加的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，焊接的熱應(yīng)力、拘束應(yīng)力構(gòu)成焊接接頭金屬開裂的力學(xué)條件。疊加的組合應(yīng)力過高，是運行中產(chǎn)生裂紋的主因；3、后屏過熱器出口聯(lián)箱三通與彎頭焊接結(jié)構(gòu)的約束大，結(jié)構(gòu)不連續(xù)，無損檢驗難以保證焊接質(zhì)量，很難發(fā)現(xiàn)焊縫的內(nèi)部缺陷；4、三通、彎頭厚度大，形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，有較大的應(yīng)力集中，熱處理不均勻，導(dǎo)致焊接過程中易產(chǎn)生再熱裂紋；針對以上結(jié)論，提出下列建議：1、消除三通與彎頭焊縫的裂紋，就必須從降低應(yīng)力著手，優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力。及時處理失效的支吊架，下次檢修時，對相關(guān)部位的支吊架進行全面的檢查調(diào)整；2、焊接修復(fù)過程中，防止產(chǎn)生再熱裂紋。通過減少焊接線能量、控制每層焊肉厚度和層間溫度等措施，減少粗晶區(qū)的厚度，另外通過層間錘擊等手段減少焊接殘余應(yīng)力。在焊后熱處理過程中，采用合理的加熱器布置和嚴(yán)格溫度控制，避免焊件在敏感溫度區(qū)長時間停留；3、增加對該結(jié)構(gòu)三通焊縫的無損檢測頻次，每次停爐必做探傷檢驗，及早發(fā)現(xiàn)運行過程中產(chǎn)生的裂紋；4、在三通附近加裝防漏泄監(jiān)測點，監(jiān)督運行；5、4號爐在以后的運行中，如果該部位再次出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，應(yīng)考慮優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，從改變結(jié)構(gòu)入手，盡可能減少結(jié)構(gòu)應(yīng)力；6、耐熱鋼同一位置上的挖補次數(shù)不應(yīng)超過兩次，