徐火力，楊家燚

（廈門市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，福建廈門 361004）

0 引言

某電廠1 臺(tái)1025 t/h 鍋爐為上海鍋爐廠制造，亞臨界參數(shù)汽包爐，采用控制循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動(dòng)調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固體排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置燃煙煤鍋爐。該鍋爐從1995 年12 月投用至今，累計(jì)運(yùn)行約15 萬(wàn)h。鍋爐主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

1 缺陷情況簡(jiǎn)介

在2019 年10 月對(duì)鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)期間，對(duì)連接管道檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器至末級(jí)再熱器B 進(jìn)口集箱三通與彎頭對(duì)接焊縫存在缺陷，材料為12Cr1MoV，規(guī)格為Φ508 mm×20 mm（圖1）。經(jīng)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在2 條橫向裂紋，經(jīng)打磨后檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋較深；再將焊縫余高打磨平整，用超聲波探頭放置焊縫上掃查，發(fā)現(xiàn)4 處埋藏缺陷；對(duì)余高磨平后的焊縫進(jìn)行磁粉和滲透檢測(cè)，周圍還有多條長(zhǎng)度＜10 mm 裂紋，共發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度＞10 mm 的裂紋11 處，最長(zhǎng)的裂紋長(zhǎng)30 mm，裂紋較均勻地分布于整圈焊縫，裂紋走向皆為管道軸向（圖2）。個(gè)別長(zhǎng)裂紋已延伸至焊縫根部，且裂紋最長(zhǎng)處位于焊縫厚度方向上的中部，說(shuō)明裂紋為由中間往上下兩端擴(kuò)展。在擴(kuò)大檢查中發(fā)現(xiàn)，屏式再熱器至末級(jí)再熱器A進(jìn)口集箱三通對(duì)接的第一道焊縫也存在三處＞10 mm 的裂紋，及多條小裂紋（圖3、圖4）。

圖1 末再進(jìn)口集箱

圖2 焊縫WB002 缺陷

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

2.1 對(duì)缺陷部位進(jìn)一步檢驗(yàn)

圖3 焊縫WB001 缺陷

為了找出產(chǎn)生缺陷的原因，查閱了制造、安裝等技術(shù)資料和運(yùn)行、維修記錄，并對(duì)焊縫和母材進(jìn)行硬度、金相和厚度檢測(cè)。對(duì)該B 進(jìn)口集箱三通與彎頭對(duì)接焊縫和兩側(cè)母材多個(gè)位置進(jìn)行硬度、金相和厚度檢測(cè)，結(jié)果如下：焊縫硬度值均在230～240 HB，彎頭母材148～155 HB，三通側(cè)母材150～160 HB，均在允許范圍內(nèi)。焊縫金相組織為回火貝氏體，在鏡頭下觀察發(fā)現(xiàn)焊縫存在微裂紋，裂紋方向?yàn)楣艿垒S向，沿晶界開裂；彎頭/三通母材的金相組織為珠光體+鐵素體，球化級(jí)別4/3.5 級(jí)，未見(jiàn)其他異常。所測(cè)厚度值為：彎頭40.1 mm、40.0 mm、40.2 mm；焊縫（及熱影響區(qū)）20.1 mm、19.9 mm、19.5 mm；三通側(cè)45.0 mm、44.0 mm、43.0 mm，厚度未見(jiàn)異常。

2.2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

12Cr1MoV 鋼的焊接性良好，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，該鋼種的焊接規(guī)范已相當(dāng)成熟。但是，該鋼含有Cr、Mo、V 等合金元素，焊后易出現(xiàn)硬而脆的淬硬組織，在焊接過(guò)程中，若有應(yīng)力疊加，容易引起冷裂紋。橫向裂紋的產(chǎn)生主要為穿晶裂紋，屬于冷裂紋的一種，這種裂紋潛伏期相對(duì)較長(zhǎng)，且一般從焊縫厚度的中間開始產(chǎn)生，向兩側(cè)擴(kuò)展，最終貫穿整個(gè)厚度[1]。通過(guò)分析，該裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋?/p>

圖4 打磨焊縫缺陷

（1）殘余應(yīng)力未有效消除。該焊縫為現(xiàn)場(chǎng)焊縫，焊接完成后需進(jìn)行熱處理。查閱了鍋爐安裝記錄，該鍋爐于1995 年安裝，安裝的記錄不完善。原先焊接工藝和熱處理工藝不佳，無(wú)法有效消除應(yīng)力集中，焊接殘余應(yīng)力水平比較高。

（2）結(jié)構(gòu)不連續(xù)，造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中加大，應(yīng)力水平高。該段連通管設(shè)計(jì)厚度為20 mm，彎頭和集箱三通的厚度較厚，約40 mm；集箱三通與彎頭對(duì)接焊接接頭的結(jié)構(gòu)，為在安裝對(duì)接時(shí)對(duì)兩側(cè)母材削薄處理后對(duì)接，由40 mm 削薄至20 mm，該結(jié)構(gòu)在焊接對(duì)接中容易存在應(yīng)力集中。

（3）材質(zhì)劣化和損傷。鍋爐運(yùn)行至今約15 萬(wàn)h，該部件額定工作參數(shù)為壓力3.42 MPa，溫度470 ℃。長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，焊縫（應(yīng)力集中）部位產(chǎn)生多條晶間開裂的橫向裂紋（圖5）。同時(shí)，母材側(cè)金相組織已球化4 級(jí)（圖6）。

3 缺陷處理建議

根據(jù)缺陷情況、金相和硬度檢測(cè)報(bào)告，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，建議制定完善的缺陷修復(fù)方案，確保焊接修復(fù)一次成功。

3.1 焊接缺陷去除

圖5 焊縫WB002 金相照片

對(duì)以上焊縫缺陷采用機(jī)械整圈清根方法完全去除缺陷金屬，光譜復(fù)查管材舊焊縫材料。采用磨光機(jī)打磨焊接的坡口，修磨出適合于補(bǔ)焊的圓滑過(guò)渡的U 形槽或坡口形式，打磨過(guò)程進(jìn)行MT（Magnetic Particle Testing，磁粉檢驗(yàn)）和PT（Penetrant Testing，滲透檢驗(yàn)）復(fù)查，確保焊縫缺陷已完全消除。坡口面及外壁兩側(cè)15～25 mm 區(qū)域應(yīng)將氧化皮等雜物清理干凈，直至露出金屬光澤。嚴(yán)禁用火焰切割方法去除缺陷金屬。

圖6 B 側(cè)彎頭母材金相

3.2 焊接過(guò)程控制

（1）焊條電弧焊補(bǔ)焊填充、蓋面焊接。焊接材料必須經(jīng)過(guò)光譜檢驗(yàn)合格后方可使用。

（2）采用電加熱方法均勻預(yù)熱。手工焊前的預(yù)熱溫度為200～300 ℃，預(yù)熱寬度以坡口邊緣算起，每側(cè)不少于壁厚的3倍，且不小于100 mm。

（3）采取多層多道焊接。施焊過(guò)程中，應(yīng)注意層間溫度控制在150～300 ℃，各層各道的接頭錯(cuò)開10～15 mm（圖7）。每層焊縫的外表要盡可能焊得平滑，便于清渣和避免出現(xiàn)尖角，每焊一層經(jīng)自檢合格后方可焊接次層。為保證后一焊道對(duì)前一焊道起到回火作用，焊接時(shí)每層焊道厚度控制在不大于焊條直徑。為了減少焊接應(yīng)力與變形，宜采用兩人對(duì)稱焊接（圖8）。注意不得兩人同時(shí)在一處收頭，以免局部溫度過(guò)高影響施焊質(zhì)量。單點(diǎn)U形槽補(bǔ)焊可由1 名焊工完成。

（4）焊條擺動(dòng)的幅度不得超過(guò)焊條直徑的4 倍。蓋面層的焊道布置，焊接1層至少3 道焊縫，中間以有一“退火焊道”為宜，以利于改善焊縫金屬組織和性能。每層每道焊縫焊接完畢后，應(yīng)用砂輪機(jī)或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，尤其應(yīng)注意中間接頭和坡口邊緣。經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層。施焊過(guò)程中應(yīng)注意接頭和收弧的質(zhì)量，接頭應(yīng)熔合良好，外觀平齊；收弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿。

（5）施焊過(guò)程除檢驗(yàn)上要求分次焊接外，應(yīng)連續(xù)完成。若被迫中斷時(shí)，應(yīng)采取防止裂紋產(chǎn)生的措施，如緩冷、保溫等。再焊時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查并確認(rèn)無(wú)裂紋后，方可按工藝要求繼續(xù)施焊。表面層焊接時(shí)，運(yùn)條至兩邊應(yīng)稍加停頓，防止咬邊，焊縫與母材要圓滑過(guò)渡。當(dāng)焊縫整體焊接完畢，應(yīng)將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈，自檢合格后，標(biāo)記焊工代號(hào)。

圖7 多層多道焊接

圖8 手工焊接方向

3.3 焊后熱處理

（1）安裝熱電偶。當(dāng)焊接完畢，焊縫外觀檢查合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。熱電偶的安裝位置與數(shù)量，應(yīng)以保證測(cè)溫和控溫準(zhǔn)確可靠、有代表性為原則。熱電偶要綁扎牢固防止脫落，對(duì)焊縫熱處理時(shí)可在管道周圍制作加熱器托架以防熱處理過(guò)程中加熱器脫落，熱電偶與焊縫接觸緊密以確保測(cè)溫準(zhǔn)確。

（2）熱處理范圍。熱處理的加熱寬度，從焊縫中心算起，每側(cè)≥300 mm；保溫寬度為從焊縫中心算起，每側(cè)≥加熱寬度+150 mm。熱處理保溫厚度為40～60 mm，對(duì)水平管道可以通過(guò)改變保溫層厚度來(lái)減小上下部分的溫差。

（3）熱處理溫度。焊接接頭的焊后熱處理，采用高溫回火，恒溫溫度為720～750 ℃，要防止管內(nèi)穿堂風(fēng)。焊后熱處理的升、降溫速度以6250/δ 計(jì)算，δ 為焊件厚度，以≤300 ℃/h為宜；降溫至300 ℃以下時(shí)，可不控制，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫（圖9）。

3.4 維修質(zhì)量檢查要求

由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，本次維修的部位不宜做水壓試驗(yàn)，采用增加無(wú)損檢驗(yàn)比例的方法來(lái)檢驗(yàn)維修的質(zhì)量：

（1）外形檢查。焊縫外形尺寸符合要求，焊縫和母材平滑過(guò)渡，表面不允許有裂紋、夾渣、弧坑、氣孔，根部不允許出現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透等焊接缺陷。

（2）金屬檢驗(yàn)。按照DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行光譜、金相和硬度等各項(xiàng)金屬監(jiān)督檢驗(yàn)，檢測(cè)的數(shù)量為光譜（母材2 點(diǎn)，焊縫1 點(diǎn)）、金相（彎頭側(cè)母材1 點(diǎn)，三通側(cè)母材1 點(diǎn)，焊縫1 點(diǎn)）、硬度（母材2 點(diǎn)，熱影響區(qū)2點(diǎn)，焊縫1 點(diǎn)），且焊縫硬度≤300 HB。

（3）無(wú)損檢測(cè)。采用UT100%、RT＞20%和PT100%進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》。

圖9 12Cr1MoV 焊接熱處理曲線

4 維修質(zhì)量檢查結(jié)果

此次維修，采納以上維修建議，維修后，焊縫經(jīng)外觀檢查、無(wú)損檢測(cè)、光譜、金相和硬度等檢查，結(jié)果均符合要求，修復(fù)一次成功：①焊縫外形尺寸檢查符合要求，未見(jiàn)表面焊接缺陷；②對(duì)WB-001 和WB-002 焊縫及兩側(cè)母材進(jìn)行光譜分析，結(jié)果均符合要求；③對(duì)WB-001 和WB-002 焊縫、彎頭側(cè)母材、三通側(cè)母材，分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)，焊縫組織為貝氏體+鐵素體，母材組織為珠光體+鐵素體，母材側(cè)金相組織球化4 級(jí)，在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)；④對(duì)WB-001 和WB-002 焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)、母材進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果均符合要求；⑤無(wú)損檢測(cè)結(jié)果合格，焊縫WB-001 和WB-002，100%UT，結(jié)果為Ⅰ級(jí)；100%PT，結(jié)果為Ⅰ級(jí)；RT＞20%，結(jié)果為Ⅰ和Ⅱ級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析屏式再熱器至末級(jí)再熱器進(jìn)口集箱三通與彎頭對(duì)接焊縫產(chǎn)生裂紋的原因，采用合理的焊接修復(fù)工藝對(duì)開裂部位進(jìn)行維修和檢驗(yàn)，確保了本次的維修的質(zhì)量。通過(guò)總結(jié)，為了確保電站鍋爐安全運(yùn)行，可采取以下的防治措施：①不管是鍋爐安裝還是維修，應(yīng)采用合理的焊接和熱處理工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，提高焊接質(zhì)量水平；②少采用不連續(xù)結(jié)構(gòu)，避免加大結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情況；③對(duì)于運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)的機(jī)組，鍋爐定期檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不合理的地方加大檢驗(yàn)比例，并對(duì)此類焊縫加強(qiáng)金屬監(jiān)督。