超超临界二次再热锅炉水冷壁现场焊接研究

2016-09-09蒋德勇潘建强

电力安全技术 2016年7期

关键词：焊口水冷壁焊条

蒋德勇，潘建强

（1.国电泰州发电有限公司，江苏泰州 225327；2.华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏镇江 212400）

超超临界二次再热锅炉水冷壁现场焊接研究

蒋德勇1，潘建强2

（1.国电泰州发电有限公司，江苏泰州 225327；2.华电江苏能源有限公司句容发电厂，江苏镇江 212400）

介绍了某机组锅炉水冷壁的概况，分析了机组水冷壁现场焊接及热处理过程中出现的问题，并通过现场试验以及实验室检测的方式对出现的问题进行了分析，找到了有效的解决办法，避免了焊接裂纹的产生，降低了机组运行的安全隐患。

超超临界锅炉；二次再热；水冷壁；焊接；裂纹

0　引言

国内某二次再热机组，锅炉出口主蒸汽参数为 33.03 MPa，603 ℃，给水温度315 ℃，均较高。主蒸汽参数及省煤器入口给水温度的提高带来了水冷壁管子规格及鳍片材质的变化。进行大批量水冷壁焊口现场热处理工作在电力建设中尚属首次，且由于管子材质、规格的变化，使现场焊接出现许多新问题，如裂纹等，给机组安全运行带来隐患。

1　设备概况

该锅炉水冷壁采用螺旋管圈和垂直管圈组合的型式，管子材料均为12Cr1MoVG，鳍片材料除垂直段上部采用SA 387-Cr22CL1外，其余全部为12Cr1MoV，具体见表1。

表1　水冷壁材料、规格

螺旋段由716根管子组成，垂直段分上、下2部分，其中上部由716根管子组成，下部由1 432根管子组成。现场焊口包括管子对口、管排拼缝、鳍片与管子、管子与三通或多通锻件焊接、填块焊接等。

2　焊接裂纹问题分析

2.1扁钢、填块焊接

2.1.1裂纹产生情况

水冷壁垂直段上部鳍片及填块材料分别为SA 387-Cr22CL1和SA 182-F22，而SA 182-F22在水冷壁中应用较少。一直以来，SA 387-Cr22CL1鳍片配用R407焊条。由于电建单位对SA 182-F22材料认识不足，仍使用R407焊条对其进行焊接施工。随后的无损检测发现左墙水冷壁152块嵌块中存在43条焊接裂纹，每屏22条左右的密封槽焊缝中，约有8-12条裂纹，如图1和图2所示，裂纹特征如下：

（1）形貌：纵向、横向；

（2）产生位置：接近焊缝中心、焊缝熔合线的附近；

（3）产生部位：焊接收弧处、鱼尾交叉处、正常运条焊缝处；

（4）发现时机：焊接后目视、后热后目视、磁粉探伤、消缺后复检。

图1　嵌板角焊缝纵向裂纹

图2　嵌板角焊缝横向裂纹

2.1.2初步改进措施

针对裂纹问题，现场立即进行了调查，发现施工人员未按制造厂要求进行焊接及热处理。因此结合实际情况，对作业人员提出了4点要求：

（1）现场风力较大，做好防风措施；

（2）合金钢材质焊前必须预热（火焰加热），温度为150 ℃左右；

（3）选择合理的焊接参数、焊接顺序和焊接速度，可分段、小电流焊接以减少应力集中；

（4）焊后及时后热300 ℃后用保温棉覆盖缓冷。

然而在执行以上相关措施后，并未能解决焊接裂纹问题。随后组织人员进行了分析并进行了一系列的焊接改进试验，包括：改变焊接顺序、收弧位置引导至板材；取消鱼尾并延长应力槽；改变焊道布置（单道焊改为多道焊）；预热和后热处理等。通过多次试验发现：

（1）改变焊接顺序、收弧位置引导至板材或者取消鱼尾并将应力槽延长均不能避免裂纹的产生；

（2）当密封槽间隙大于2 mm时，如果采用单道焊产生裂纹的风险将加大；

（3）预热和后热处理措施能够有效控制裂纹的产生，但不能杜绝。

2.1.3裂纹成因分析及解决办法

使用R407焊条焊接SA 182-F22嵌板角焊缝及对SA 387-Cr22CL1扁钢拼接具有明显的淬硬倾向，在焊缝和热影响区很容易产生硬而脆的马氏体组织。这不仅影响焊接接头的机械性能，而且产生很大的焊接内应力，对塑韧性变形的抗力减小，也容易引起应力集中，造成强度降低。塑韧性越差，晶界开裂所需要的临界应力也就越小，常常导致焊缝金属或接头热影响区开裂。结合试验结果，判断裂纹产生的根本原因是焊缝的拘束应力。

由于R407焊条焊接性能较差，对焊工水平及工艺要求均较高，因此，现场尝试使用R317焊条替代R407焊条再次进行了试验，发现裂纹数量明显减少。与R407焊条相比，R317焊条焊缝金属的最大碳当量为0.77，而R407焊缝金属碳当量为1.01，所以R317焊条的可焊性较好。同时R317焊条中含有V元素，焊接过程中形成V的碳化物，可以起到细化晶粒，提高抗裂性的作用。

试验结果表明：更换焊条后在不预热的情况下，裂纹明显减少；采取焊前预热及焊后消氢的措施后，嵌板角焊缝及扁钢拼接焊缝裂纹得以彻底消除。

2.2管子对口焊接

2.2.1裂纹产生情况

水冷壁管的对口焊接包括管子与管子、管子与锻件（三通、多通）2种类型，采用火焰加热进行焊前预热，预热温度200-300 ℃，预热宽度每侧不少于焊件厚度的3倍，且不小于100 mm。焊接热处理完成后，发现部分对接接头产生裂纹（见图3），裂纹呈现以下几个特点：

（1）裂纹产生于热处理后；

（2）产生裂纹的管子位于管屏外侧第1根或第2根管子；

（3）大部分裂纹产生于管子的侧面（3点钟或9点钟位置）熔合线处，个别裂纹启裂于三通侧熔合线，所有裂纹均沿熔合线周向扩展。

图3　12Gr1MoVG管子焊口裂纹

2.2.2裂纹成因分析及解决办法

金相分析显示焊缝晶粒为具有一定位向粗大的索氏体组织，在晶界有大量的碳化物析出，经能谱分析发现其主要成分为Cr和Mn的碳化物，裂纹内部氧化物同时存在FeO和Fe3O4成分，说明裂纹产生在热处理阶段的高温区。

焊接母材为珠光体组织，力学性能符合标准要求，水冷壁鳍片、直管段化学成分含量在标准要求范围内。显微硬度显示部分焊接接头的焊缝硬度值达290 MPa，超标准（小于等于270 MPa）上限。

在扫描电镜下，可观察到宏观裂纹、微裂纹和孔洞3种不同的形貌，裂纹沿晶界扩展并伴随微裂纹及孔洞，孔洞连接形成宏观裂纹，裂纹形貌与再热裂纹吻合。按照ASTM（American Society for Testing and Materials，美国材料与试验协会）标准E837-81《用钻孔应变测量决定残余应力的标准方法》对初始试样的焊接接头热影响区，以及水冷壁管母材、三通母材进行小孔法残余应力测试，发现母材及近热影响区附近区域的残余应力高达155 MPa。

12Cr1MoVG具有较强的再热裂纹敏感性，其敏感温度区间为550-700 ℃，当残余应力释放过程中，接头应力集中处所产生的塑性变形量εp大于该处材料的临界塑性变形能力εc后，即产生再热裂纹。综合各项检验结果及现场情况，认为裂纹是结构应力、焊接残余应力以及热膨胀应力共同作用的结果，其中结构应力是主导因素。

基于试验分析结果，通过在水冷壁T型及Y型三通处每隔4-6根管子开1条500 mm长的应力释放槽，解决了水冷壁管的再热裂纹问题。而且为避免锅炉运行中应力集中致使某些焊口水冷壁管排出现拘束应力过大的问题，所有应力释放槽保留至机组大修前并用圆钢或者扁钢密封以确保锅炉漏风率以及环境卫生达标。

3　焊接后热处理方案及问题分析

3.1实施方案

按DL/T869—2012《火力发电厂焊接技术规程》规定，壁厚超过8 mm的12Cr1MoVG管焊接后必须进行热处理。制造厂内可采用电加热炉进行热处理，电加热炉通过螺栓固定于管屏上，螺栓点焊在管屏扁钢上，连接后将水冷壁管子包覆其中，热处理完成后螺栓无需拆除。

然而该方案在现场不具备可操作性，经多次尝试后采用简单可行的履带式电加热带进行热处理，具体实施方案如下。

（1）焊后24 h内完成焊后热处理工作。

（2）采用串联法加热，每组焊口中测温点不得少于2点。管口间距较小的情况下使用较大加热片整体覆盖管排焊口上下表面，并用保温棉加塞到有间隙的地方，确保密封空间内温度流失程度最小。

（3）焊口在热处理过程中严禁加载或卸载。

（4）热处理主要工艺参数参照制造厂提供的曲线执行，具体处理参数如表2所示。

表2　焊后热处理工艺参数

（5）现场效果如图4，5所示。

图4　高空热处理

图5　地面热处理

3.2安全隐患及解决办法

由于现场缺乏水冷壁热处理的相关经验，热处理不当造成了部分管排变形等问题。水冷壁管对接焊缝热处理温度为720-750 ℃，在现场实测管屏最外侧温度仅为620-640 ℃。热处理加热温度不均造成温度较高的中间部位产生的膨胀量较大，而管屏外侧管的膨胀量较小，这对管屏外侧管焊缝形成弯矩，造成管排变形或形成裂纹，因此需对整排焊口同时进行热处理并适当增加加热范围。

由于SA 387-Cr22CL1再热裂纹的敏感性，在热处理后往往会出现鳍片包角焊缝裂纹（见图6）。该部分裂纹直接延伸至管子并可以通过磁粉检测发现，因此需要在热处理后、填块焊接前采用磁粉检测的方式对包角焊缝进行检查，确认没有裂纹后才能进行水冷壁填块的焊接。