余熱鍋爐角焊縫裂紋原因分析及防范

原文博

摘要：余熱鍋爐通過燃氣輪機產(chǎn)生的高溫排氣加熱爐內(nèi)循環(huán)工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽帶動汽輪機做功來發(fā)電。余熱鍋爐為德國Borsig公司制造的改進型倒U型套管加熱器。這種雙套管余熱鍋爐具有能吸收部分熱膨脹差，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。但由于結(jié)構(gòu)過于緊湊，也給漏點查找及檢修工作帶來不便。裝置投入運行后，多臺余熱鍋爐先后出現(xiàn)了鍋爐給水串入裂解氣側(cè)，影響余熱鍋爐正常運行，最終被迫停下檢修的問題

關鍵詞：余熱鍋爐;調(diào)峰運行;角焊縫裂紋

引言

作為與燃氣輪機配套的設備，余熱鍋爐承擔著機組調(diào)峰運行。在機組頻繁啟停運行模式下，余熱鍋爐汽水系統(tǒng)受熱面易受力產(chǎn)生裂紋而發(fā)生泄漏。從受熱面小徑管、聯(lián)箱管道的角焊縫結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了裂紋的宏觀特征和微觀組織，指出了產(chǎn)生應力的原因，并提出了減小應力的防范措施，保證了機組的安全穩(wěn)定運行。

1概述

近年來，余熱鍋爐多次發(fā)生裂解氣出口管與鍋爐給水下集合管連接角焊縫產(chǎn)生穿透性裂紋的事故。致使高壓鍋爐給水進入低壓裂解氣側(cè)瞬間汽化，阻礙裂解氣的流動，最終引起爐管結(jié)焦速率加快。如果判斷不及時，將使整根輻射爐管結(jié)焦堵死，嚴重影響裝置安全生產(chǎn)。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)角焊縫裂紋具有如下的特征：（1）均為聯(lián)箱與小徑管角焊縫部位，裂紋位于小徑管側(cè)焊縫熱影響區(qū)部位;（2）再熱器Ⅰ，Ⅱ下聯(lián)箱與受熱面小徑管屏焊接均為異種鋼焊接接頭;（3）裂紋的形貌均為裂紋從外向內(nèi)開裂;（4）裂紋均為橫向裂紋。再熱器Ⅰ角焊縫取樣的金相組織和顯微硬度結(jié)果基本正常，角焊縫部位裂紋的產(chǎn)生更大可能與其承受的應力有關，包括下集箱和管子間的P91/T23異種鋼焊接殘余應力以及管子與集箱間結(jié)構(gòu)應力等因素。在機組頻繁啟停的惡劣工況下，裂紋會不斷擴展直至形成貫穿性裂紋，引起泄漏。宏觀檢查斷口形貌，斷裂部位基本位于角焊縫的邊緣，從斷口部位主裂紋產(chǎn)生于角焊縫粗晶區(qū)、二次裂紋存在晶間開裂等特征來看，該裂紋具有一定的再熱裂紋傾向。聯(lián)箱角焊縫部位本身存在一定的焊接殘余應力和較大的結(jié)構(gòu)應力，再熱器Ⅱ管運行溫度與低合金鋼550～650℃的再熱裂紋敏感區(qū)間相近，極易促進裂紋的產(chǎn)生。在目前燃機頻繁啟停的工況下，裂紋一旦產(chǎn)生，就會快速擴展直至貫穿，導致爐管泄漏。

2裂紋產(chǎn)生的原因分析

低合金耐熱鋼的焊接具有以下特點：這些材料按其合金含量具有不同程度的淬硬傾向，在焊接熱循環(huán)決定的冷卻速度下，焊縫金屬和熱影響區(qū)內(nèi)可能形成對冷裂敏感的顯微組織，延遲裂紋的形成是焊縫中氫、焊接接頭金屬中所承受的拉應力及鋼材淬硬傾向造成的金屬塑性儲備下降三個因素交互作用的結(jié)果。SA336F22CL3最低抗拉強度為515MPa，強度高且厚度大。鋼的淬硬傾向取決于它的碳含量、合金成分及其含量。低合金耐熱鋼中的鉻和鉬等元素都能顯著地提高鋼的淬硬性。對于成分一定的合金鋼，最高淬硬度取決于從奧氏體相的冷卻速度。鉻和鉬含量的增加，厚度的增大，鋼種的淬硬傾向增大，焊接過程中，如冷卻速度過快，焊縫及熱影響區(qū)就很容易形成淬硬組織，從而導致設備運行中在應變應力作用下形成垂直于焊縫的橫向冷裂紋。該設備出現(xiàn)裂紋的焊縫是合攏口，焊接工藝要求：焊前預熱180-200℃，焊接過程中控制道間溫度范圍為180-300℃，連續(xù)焊接，否則立即進行消氫處理;除打底層和蓋面層外逐層錘擊;焊后立即進行300-350℃，保溫3h消氫處理;焊后至少24h再進行無損檢測。最后進行局部消除應力熱處理。實際焊接過程：用火焰預熱，預熱范圍為焊縫兩側(cè)各100-150mm，范圍較窄，溫度梯度較大，焊接接頭會形成一定的熱應力;焊接過程不是連續(xù)焊接，中斷焊接時做的消氫處理不很及時;層間錘擊沒有做到逐層進行，焊縫內(nèi)部存在一定的殘余應力;道間溫度滿足工藝要求;焊后消氫處理是用火焰進行的，范圍為焊縫兩側(cè)各150mm，消氫處理做的不很及時。無損檢測發(fā)現(xiàn)此焊縫內(nèi)部有圓形缺陷，但并未超標，按JB/T4730.2-2005，判為II級，合格。第二次出現(xiàn)裂紋后，對這條焊縫又進行了硬度測試，共測定了16點，發(fā)現(xiàn)硬度值均超過了350HB，說明焊后局部熱處理效果不好。綜上分析，焊縫及熱影響區(qū)在冷卻過程中產(chǎn)生了脆硬的馬氏體組織，由于消氫處理的不及時，在焊接接頭中會殘留少量氫，由測定的硬度值可以判斷熱處理效果不很好，焊接接頭中存在焊接殘余應力和各種拘束應力，設備在運行過程中又經(jīng)歷各種熱交變應力，當應力達到一定程度，在接頭內(nèi)部有微觀缺陷的薄弱部位就產(chǎn)生了裂源，并隨著時間的延長而擴展到焊縫表面，形成了冷裂紋。

3防范措施

3.1將原角焊縫全焊透結(jié)構(gòu)更換為加強型接管座，且管座材質(zhì)與聯(lián)箱一致，使異種鋼焊接接頭為對接焊縫，強化應力集中部位。接管段時，應保持冷態(tài)自由垂度，其焊接對口的焊縫寬度精準控制，要求施工人員工作經(jīng)驗豐富。

3.2管屏角焊縫焊接質(zhì)量全面評估，保證焊接質(zhì)量良好，且異種鋼焊接接頭的焊接材料應采用低匹配原則。

3.3由于余熱鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，無檢修空間，無監(jiān)測手段，不利于提前防范。專業(yè)人員應利用機組檢修時機，通過割開下部連通管拉開相應聯(lián)箱來檢查易發(fā)生缺陷的部位，預防檢修周期內(nèi)運行泄漏。

3.4 加強鍋爐啟停過程中的參數(shù)監(jiān)視，如煙氣溫度、再熱蒸汽溫度和壓力，并控制余熱鍋爐升降負荷速率。停爐過程中，盡量采用較低的溫降速度，每分鐘不超過6 ℃。對直接影響管道膨脹的主要因素——再熱蒸汽溫度，應關注隨再熱蒸汽溫度變化產(chǎn)生的管道壁溫變化和管道膨脹變化，優(yōu)化啟動速度和運行操作。

3.5探討頻繁啟停模式下，保障余熱鍋爐汽水系統(tǒng)部位材質(zhì)優(yōu)化、壽命延長等措施，以緩解機組日開夜停運行方式與設計連續(xù)運行模式不符帶來的問題。

結(jié)語

針對余熱鍋爐耐熱鋼管板與管箱筒體環(huán)焊縫產(chǎn)生裂紋原因的分析及裂紋缺陷的修復，總結(jié)了大厚板耐熱鋼焊接要點，為大厚板耐熱鋼產(chǎn)生焊接缺陷的現(xiàn)場修復積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]?劉國瑞，等.腐蝕與防護手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社.1991.502-503，544-545

[2]?周振豐主編.金屬熔焊原理及工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.

[3]?中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊（第3版）第2卷材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

（作者單位：鞍山開炭熱能新材料有限公司）