王百頌

【摘 要】因?yàn)門23鋼的固有特性，使得其在用于鍋爐水冷壁后由于檢修工藝受現(xiàn)場條件限制不容易控制，容易產(chǎn)生再熱裂紋。本文通過通過對其裂紋產(chǎn)生的原因分析，制定了簡單實(shí)用的檢修工藝，并在臺(tái)山電廠6號機(jī)組大修中實(shí)施了此工藝，取得了成功，為大型電廠鍋爐T23水冷壁管焊后易產(chǎn)生裂紋找到了解決方案。

【關(guān)鍵詞】T23 水冷壁管；焊接；裂紋；施工工藝

0.概述

廣東臺(tái)山電廠2×1000MW超超臨界壓力直流鍋爐為上海鍋爐廠設(shè)計(jì)、制造的3091t/h超超臨界變壓運(yùn)行直流爐。鍋爐的水冷壁采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的形式，螺旋管圈標(biāo)高39m以上及垂直管圈管材均為國產(chǎn)T23鋼，鍋爐受熱面于 2009年03月27日開始安，2010年02月11日完成鍋爐水壓試驗(yàn)，2011年3月29日10：08通過168h運(yùn)行，移交生產(chǎn)。

1.T23鋼水冷壁產(chǎn)生裂紋的原因分析

臺(tái)山電廠6號爐于2011年3月投入運(yùn)行，至2012年8月停爐大修，共啟停4次，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約8490h，累計(jì)停爐時(shí)間4749h。機(jī)組歷次檢修發(fā)現(xiàn)的水冷壁裂紋缺陷統(tǒng)計(jì)見圖1

2012年8月機(jī)組停爐大修，大修中對T23水冷壁安裝焊口射線檢查7868道，共發(fā)現(xiàn)缺陷1289道（全部為垂直于焊縫的橫向裂紋），缺陷率16.38%。

具體裂紋形狀如圖2

裂紋原因分析。

T23（HCM2S）鋼是在T22（2.25Cr-1Mo）鋼的基礎(chǔ)上吸收了102鋼的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)的，600 ℃時(shí)其強(qiáng)度比T22高93%，與102鋼相當(dāng)，但由于C含量降低，其加工性能和焊接性能均優(yōu)于102鋼。在一定的焊接工藝條件及焊前不預(yù)熱、焊后不熱處理的條件下，T23鋼的焊縫和熱影響區(qū)的硬度均低于350 HV10。該鋼中同時(shí)加入合金元素W、V和Nb，以彌補(bǔ)碳C含量降低對高溫蠕變強(qiáng)度帶來的不利影響。W、V和Nb等都是沉淀強(qiáng)化元素，會(huì)增大再熱裂紋傾向。雖然可以取消焊后熱處理，但該鋼在一定的高溫條件下仍有可能產(chǎn)生再熱裂紋。

經(jīng)對臺(tái)山電廠6號鍋爐水冷壁T23鋼大量取樣試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)臺(tái)山電廠6號鍋爐水冷壁T23鋼再熱裂紋非常敏感，敏感溫度區(qū)間為580度-750度，最敏感的溫度在630度附近，與傳統(tǒng)的低合金耐熱鋼相比，雖然合金化改良使T23鋼的冷裂紋敏剛性得到改善，但再熱裂紋裂紋傾向明顯增大。

臺(tái)山電廠T23鋼水冷壁泄漏主要集中在鍋爐螺旋水冷壁四角焊接接頭處，對該區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力測試，從測試結(jié)果看，最高測點(diǎn)的最大應(yīng)力達(dá)389MPa，已接近T23鋼材料標(biāo)準(zhǔn)屈服極限下限，應(yīng)力值最小測點(diǎn)為121MPa，其余測點(diǎn)的最大主應(yīng)力值在200～300MPa，所測點(diǎn)應(yīng)力值均偏高；測試證明T23鋼的塑性儲(chǔ)備能低、韌性差，焊接應(yīng)力較高。

綜合上述試驗(yàn)分析結(jié)果，臺(tái)山電廠6號鍋爐T23水冷壁焊接接頭產(chǎn)生大量裂紋的原因?yàn)椋河捎谂_(tái)山電廠6號鍋爐T23鋼再熱裂紋敏感，在對口焊接過程中對前道焊縫或者熱影響區(qū)有高溫回火的作用，導(dǎo)致前道焊縫或者熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間弱化的現(xiàn)象，并且部分晶間聚集大量孔洞。另外由于T23鋼含有多種強(qiáng)化元素，如Cr，Mo，V，W等均增加了材料的淬硬性，導(dǎo)致T23鋼焊接接頭塑性儲(chǔ)備能低、韌性差，焊接應(yīng)力較高，無法靠晶間或者晶粒變形來釋放部分應(yīng)力，鍋爐在運(yùn)行、啟停過程中，T23鋼焊接接頭在焊接應(yīng)力、熱應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力等共同作用下，晶界逐漸產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致焊接接頭開裂泄漏。既臺(tái)山電廠6號鍋爐T23管焊接接頭裂紋性質(zhì)為較大的綜合應(yīng)力引發(fā)的再熱裂紋。

2.防止T23鋼焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋施工工藝

為了防止再熱裂紋發(fā)生，可從冶金因素和工藝因素2個(gè)方面入手解決。

就冶金因素而言，目前再建或已投產(chǎn)的機(jī)組確定不變，在T23鋼化學(xué)成分也確定的情況下只有通過采取一定的工藝措施防止再熱裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。

工藝措施，目前從焊接工藝和熱處理工藝兩個(gè)方面入手解決。

2.1焊接工藝

（1）割管長度為500mm，特殊部位（角部或剛性梁等）割管長度至少不能低于200mm，管子的對口間隙應(yīng)保持在2-2.5mm之間。

（2）T23焊口焊接采用全氬弧焊，焊接時(shí)選用的焊絲必須經(jīng)工藝評定合格，焊接電流以焊接現(xiàn)場就地焊接點(diǎn)測量值為準(zhǔn)，且焊接電流<130A。

（3）點(diǎn)固焊采用氬弧焊，點(diǎn)固焊位置在坡口跟部，因現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)裂紋多在6點(diǎn)或12點(diǎn)位置發(fā)生，因此點(diǎn)焊固定位置應(yīng)避開6點(diǎn)和12點(diǎn)的位置，為方便現(xiàn)場點(diǎn)焊和打磨工作方便，點(diǎn)焊位置確定在11（13）點(diǎn)或5（7）點(diǎn)鐘位置，在打底層焊接至焊固點(diǎn)附近時(shí)，需將點(diǎn)固焊徹底打磨清除，焊接過程中注意打底層不得與點(diǎn)固焊拉邊和搭接。

（4）焊接前做充氬保護(hù)，焊接前的預(yù)熱溫度為：150～200℃（目標(biāo)值200℃）。預(yù)熱方法為氧氣—乙炔中性火焰加熱方法，預(yù)熱的寬度從對口中心開始算，每側(cè)不小于100mm。 火焰中心應(yīng)在管子的軸向方向上均勻移動(dòng)，以使管子能充分預(yù)熱，管子的向火面和背火面應(yīng)同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱。采用遠(yuǎn)紅外測溫儀或測溫筆進(jìn)行檢查預(yù)熱溫度，以確保焊前能達(dá)到所需的預(yù)熱溫度。

（5）對口焊道采用3層4道（蓋面層2道），焊道與焊道之間必須要圓滑過渡，不允許產(chǎn)生溝道，焊接完成注意收弧質(zhì)量，不允許產(chǎn)生縮孔，如產(chǎn)生縮孔，需要打磨清除并補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝嚴(yán)格按工藝進(jìn)行。焊接過程中需將爐內(nèi)、外側(cè)打底層焊接完成后方可進(jìn)行第二道的填充工作；同理，待爐內(nèi)、外側(cè)填充層焊接完成后方可進(jìn)行第三層的蓋面工作。同一根管的焊接必須先焊接完成單側(cè)焊口后才能進(jìn)行另一側(cè)的焊口打底焊接工作。焊道對接處不允許選在6點(diǎn)和12點(diǎn)位置，且要蓋過對接的落弧點(diǎn)，每個(gè)對接點(diǎn)不得在同一位置，即錯(cuò)位布置，焊接中如無選用高頻電焊機(jī)，即無衰減功能時(shí)，焊道焊接結(jié)束前應(yīng)向坡口處收弧，防止溶液不足導(dǎo)致焊道厚度減薄產(chǎn)生裂紋。

（6）在進(jìn)行次層（次道）焊縫的焊接前，用遠(yuǎn)紅外測溫計(jì)測量層間溫度，層間溫度不超過300℃時(shí)可進(jìn)行下一層（下一道）焊接。

（7）為減少焊接變形和高空作業(yè)的危險(xiǎn)性，宜采用兩人對稱焊接，對接焊口的熔敷金屬應(yīng)均勻。

（8）施焊中，應(yīng)特別注意接頭和收弧的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿。上下層的焊縫，以及同一層的兩道焊縫的接頭至少錯(cuò)開10mm。

（9）焊工完成單側(cè)對接焊口焊接后，對焊縫進(jìn)行清理并及時(shí)用保溫棉進(jìn)行覆蓋緩冷，待另一側(cè)焊口焊接完成后立即用火焰加熱對兩側(cè)焊口同時(shí)進(jìn)行后熱，后熱溫度為300℃，加熱范圍為焊口兩側(cè)不少于100mm，后熱溫度達(dá)到后立即在焊口向火面和背火面都覆蓋硅酸鋁保溫棉（每側(cè)不少于150 mm）使焊口緩冷到室溫。如果焊口焊接過程中斷，應(yīng)立即進(jìn)行后熱并緩冷到室溫，重新恢復(fù)焊接前應(yīng)再次進(jìn)行預(yù)熱。

2.2密封焊接工藝

密封焊接要求爐外單面焊，開坡口，全氬弧焊接，焊接兩遍。焊接方法為手工氬弧焊，焊絲標(biāo)準(zhǔn)號推薦為R30，規(guī)格為Φ2.5（或2.6）。焊前用氧氣—乙炔中性火焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度推薦為200～250℃，火焰應(yīng)均勻移動(dòng)，以使管子和鰭片充分預(yù)熱。鰭片按照100mm距離進(jìn)行跳焊。

2.3熱處理工藝

采用電加熱方式進(jìn)行局部熱處理：熱處理規(guī)范為730±10℃×0.5h，當(dāng)加熱到400℃時(shí)，加熱速度控制在≤220℃/h，保溫后冷卻速度控制在≤275℃/h，冷卻至400℃后用保溫材料包覆緩冷至室溫。至少在爐膛內(nèi)外焊縫上各搭一點(diǎn)控溫?zé)犭娕?，加熱范圍為焊縫及其兩側(cè)母材各不小于150mm 區(qū)域，并沿管子或管排環(huán)向包覆。熱處理規(guī)范如圖3 所示。

3.結(jié)論與建議

臺(tái)山電廠6號機(jī)組于2012年11月26日大修結(jié)束后進(jìn)行27.46MPA工作壓力水壓試驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，12月4日機(jī)組點(diǎn)火啟動(dòng)，運(yùn)行中沒有發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)，因電網(wǎng)原因，機(jī)組于12月6日停機(jī)等待啟動(dòng)運(yùn)行，停機(jī)過程中沒有發(fā)現(xiàn)水冷壁泄漏，本次啟動(dòng)停機(jī)創(chuàng)造了鍋爐自基建安裝結(jié)束至今首次鍋爐啟動(dòng)停爐后未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。6號機(jī)組自運(yùn)行至今207天，中間經(jīng)過6次啟停均無泄漏點(diǎn)，充分證明此種工藝對T23水冷壁管在施工焊接過程中容易產(chǎn)生再熱裂紋起到了很好的根治作用，這在國內(nèi)都是首創(chuàng)對于1000MW機(jī)組鍋爐T23水冷水冷壁管的焊接施工具有指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

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