1000t／h锅炉末级再热器出口集箱管座角焊缝产生裂纹的原因与措施

唐 彬，汤亚杰

（上海电力股份有限公司吴泾热电厂，上海 200241）

1 集箱管座角焊缝发生裂纹分析

1.1 末级再热器集箱和管座角焊缝状况

吴泾热电厂12号炉为Π型300MW亚临界一次再热控制循环锅炉，1992年投产。末级再热器工作温度为541℃，工作压力为3.86MPa，集箱规格为φ508mm×40mm，管座规格为φ51mm×4mm，材质为12Cr1MoV，管座焊接接头型式为承插式。2011年12月，在12号炉大修时发现末级再热器出口集箱管座角焊缝热影响区发生裂纹，裂纹处于管座上部，长度为20mm，裂纹宏观形貌及管座焊接接头型式如图1所示。

图1 裂纹形貌及管座焊接接头型式

1.2 12Cr1MoV钢材焊接性能

12Cr1MoV钢材焊接性能良好，焊接工艺比较成熟，广泛应用于低于580℃的燃煤锅炉的再热器管、过热器管、集箱及蒸汽导管等设备。钢材中铬（Cr）、钼（Mo）元素的固溶强化，钒（V）与碳（C）形成的碳化物弥散强化，使得12Cr1MoV钢材具有稳定的组织结构和较高的持久强度。

12Cr1MoV钢材长期处于高温条件下运行时，会发生渗碳体球化和固溶体中合金元素的贫化现象，导致其热强性降低。在叠加应力和冲击载荷的共同作用下，使焊接接头中处于相对薄弱的热影响区的粗晶区，有可能产生沿晶界的脆性断裂。

1.3 承插式焊接接头分析

采用承插式焊接工艺，焊接接头处存在三大隐患。首先，由于承插式焊接接头型式的客观条件存在，无论采取何种焊接方法和工艺，末级再热器出口集箱管座根部整圈根本无法焊透。虽然射线及超声波探伤检测难度较高，但是结合管道镜或内窥镜检查，可以明显地检查出根部缺陷。集箱制造厂家曾试图通过使用机械手自动焊接等方法来解决这一问题，却由于管座组拼接的间隙和角度等诸多不确定因素的影响，结果均收效甚微。其次，集箱管座焊接时，不可避免地会出现咬边等缺陷，焊趾处的管子壁厚明显减薄（低于末级再热器管子壁厚）。其次，由于角焊缝焊脚尺寸局部不符合要求，也会在焊趾处容易引起应力集中。同时，末级再热器出口集箱管座角焊缝在运行状态下的应力分布比较复杂。以上因素综合在一起，致使管座角焊缝热影响区的应力水平明显提高，直至开裂。其三，承插式焊接接头由于不是全焊透焊接接头，焊缝强度低，不能满足末级再热器出口集箱管座所处工况条件下的应力水平要求。在经过长期高温工况下运行后，末级再热器出口集箱管座角焊缝的高温性能也随之急剧下降。

图2 全焊透接头型式

依据DL／T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》要求，汽水、仪表取样等接管座的焊接接头，必须采用如图2所示的全焊透接头型式。

DL／T 869—2012规程要求，温度大于或等于450℃的管道根部焊道，必须采用钨极氩弧焊（GTAW），其他焊道则可采用GTAW或焊条电弧焊（SMAW）的焊接方法和工艺。显然，承插式焊接接头型式不满足DL／T 869—2012规程要求的焊接工艺。两种焊接接头型式的对比，见表1。

表1 承插式与全焊透接头比较

通过对裂纹产生原因及焊接装配形式的综合分析，认为不合理的焊接接头型式、较大的拘束应力和长期高温运行后金属热强性降低，是导致裂纹产生的主要原因。为了彻底消除设备隐患，决定将承插式焊接接头改为全焊透焊接接头，同时采用加强型管座，用以进一步提高焊接接头强度。

2 修复方案

2.1 消除裂纹工艺

1）去除原来插入集箱的管子，打磨并去除残余焊缝及热影响区。

2）做渗透探伤（PT），要求无裂纹等缺陷。

3）焊前预热温度为150～200℃，采用GTAW进行集箱开孔处堆焊，焊丝型号为TIG－R31，直径为2.5mm。

图3 集箱堆焊及组对

4）焊后缓冷，避免堆焊处冷却速度过快。

5）打磨堆焊焊缝，使之与集箱表面及开孔处齐平，如图3所示。

6）做渗透探伤检测，要求无裂纹等缺陷。

2.2 集箱与加强管角对接焊接工艺

1）采用GTAW＋SMAW，实施多层多道焊接工艺。

2）焊丝型号为TIG－R31，直径为2.5mm；焊条型号为R317，直径为3.2mm；氩气纯度为99.99%。

3）装配焊口时，错口处小于或等于1mm。

4）预热温度为150～200℃。

5）层间温度要小于或等于300℃。

6）后热处理温度为350℃，恒温时间为0.5h，进行缓冷处理。

7）做焊后磁粉探伤（MT），要求无表面及近表面缺陷。

8）做焊缝及热影响区硬度检测，要求下限高于两侧任一母材，上限小于241HB（布氏硬度）。

2.3 焊接操作要点

1）打底层厚度要大于或等于3mm。

2）点焊处长度控制在15～20mm。

3）采用多层多道焊工艺，控制好每层焊道的宽度及厚度。

4）避免电弧伤及母材，焊脚尺寸及高度要适中，焊缝与母材过渡圆滑，无咬边、焊瘤等焊接缺陷。

5）焊接中的热过程可采用远红外测温仪或热电偶来控制。

3 结语

12号锅炉从2011年12月大修后运行至今，末级再热器出口集箱管座角焊缝历经多次磁粉探伤和硬度检测，均未发现裂纹等超标缺陷。实践证实了对集箱管座焊接接头型式的改进，是正确的。通过改进接头型式，提高了焊接接头的强度和高温力学性能，杜绝了超标焊接缺陷存在的可能性，提高了锅炉设备运行的可靠性。