亚临界锅炉汽包筒体裂纹的原因分析及处理

亚临界锅炉汽包筒体裂纹的原因分析及处理

石克杨

深圳妈湾电力有限公司，广州深圳 518000

摘要——汽包是锅炉的重要承压设备，如果裂纹深度超过筒体理论最小计算壁厚，修复处理工期较长，代价高昂，将影响电厂安全、稳定运行。本文首先通过对比汽包筒体外壁的不同裂纹金相分析结果，推断出裂纹产生的原因是在焊缝区域进行了非正常焊接；其次在与汽包制造厂家沟通中证实了这一推断；并最终根据实际情况，选择现场打磨的方案对裂纹进行圆滑过渡。后续安全生产表明本文提出的解决举措合理、有效，且对相关汽包筒体裂纹问题有借鉴意义。

一、事件概述

某电厂锅炉为上世纪90年代300MW亚临界汽包炉。锅炉在进行A级检修过程中，发现汽包筒体外壁中间环焊缝裂纹40余条，裂纹长度均在5-30毫米，裂纹分布在环焊缝整周。裂纹深度不一，多数裂纹打磨深度至5毫米时，裂纹磁痕消失或变细，少数裂纹打磨深度至5—8毫米时，磁痕显示依然存在，裂纹如图1所示。

图1 裂纹形貌

二、汽包筒体裂纹原因分析

（一）由于汽包筒体外壁的焊缝经过了机械加工，焊缝与母材平齐，肉眼无法辨认焊缝与母材的边界，之前无损检测发现的40余条裂纹无法精准确定是在焊缝上还是在母材上。技术人员对焊缝和母材分别进行打磨、抛光、腐蚀，精准辨认出焊缝与母材的边界，绘制了汽包裂纹分布图，指出40余条裂纹均分布在环焊缝附近的母材上，裂纹方向有沿锅筒环向的，也有沿锅筒纵向的，筒体环焊缝没有发现裂纹，见图2。技术人员对现场明显的两条裂纹进行了现场金相分析和硬度实验，发现裂纹处金相组织为明显异于汽包金属母材的晶粒粗大的非正常焊接组织（即焊疤），焊疤处的硬度明显高于附近母材，裂纹沿焊疤热影响区开裂，裂纹长度取决于焊疤长度，裂纹方向取决于焊疤方向，见图3、图4。

图2 裂纹分布示意图

裂纹1

图3 裂纹1的现场金相分析结果

裂纹2

图4 裂纹2的现场金相分析结果

此外，技术人员从现场不太明显的裂纹中又随机抽查了5条裂纹进行现场金相分析，均发现裂纹出现在残存的焊疤痕迹处。根据上述7条裂纹的检验分析结果，推断本次检验发现的汽包中间环缝附近的40余条裂纹，全部发生在焊缝附近的母材焊疤热影响区，初步判断裂纹为焊接冷裂纹（如延迟裂纹）或应力腐蚀裂纹，开裂的原因是在裂纹区域进行了非正常焊接，焊接可能发生在汽包制造、运输以及安装过程中。

（二）技术人员与汽包制造厂家沟通，了解到焊疤是由于厂家在上世纪九十年代的汽包焊接工艺过程导致的。汽包筒体中间环缝焊接前，需要将两段筒体对接，调整好中心、对口间隙等尺寸后焊上拉筋进行固定，先从内部用手工电弧焊焊接完成后，清除外部拉筋，再用埋弧自动焊焊接外壁，母材其他部位没有焊疤。制造厂家对焊疤成因的解释，为调整检验及处理方案提供了依据。

通过以上分析，可以判断焊疤裂纹的产生是由于焊接拉筋没有按正常的焊接工艺进行焊前预热，焊接接头冷却速度快，易发生氢致裂纹；温度梯度大，收缩应力大易引起裂纹（如果焊前不进行预热，应将焊疤热影响区打磨清除干净）。此外，焊疤处硬度远高于附近母材，二者之间的较大硬度差异也容易导致应力集中萌生裂纹。

三、汽包裂纹的处理

（一） 汽包是锅炉重要的承压设备，不同于其他集箱和压力管道，对锅筒裂纹的处理应持谨慎的态度。在本次发现的汽包裂纹处理开始阶段，制造厂专家、电厂技术人员和热工院的意见不统一。

锅炉厂工艺处提供了《汽包焊接返修工艺》，工艺内容包括：焊前准备、焊接方法、焊接材料、焊接参数、预热及层间温度、操作要求、检验、焊后热处理，主张可以在现场焊接。

电厂技术专业和热工院的意见是：首先确认裂纹的深度，请厂家尽快提供汽包锅筒强度计算书，如果裂纹的深度能满足强度计算书理论最小壁厚，就没有必要焊接，可以对裂纹区域进行打磨圆滑过渡处理，因为现场焊接热处理工艺复杂，如若焊接或热处理处理不当可能会对汽包造成其它损伤甚至产生更大的裂纹，应尽量避免现场焊接。三方通过多次会议讨论，技术评估后选择现场打磨的处理方案。

经对40余条裂纹继续打磨至完全消除，最终确认多数裂纹的深度在4—6毫米，少数裂纹的深度在8-10毫米，最深的裂纹深度是11毫米。 锅炉厂首先提供了原设计的锅筒强度计算书,裂纹深度超过了理论最小计算壁厚；锅炉厂依据2017版的ASME标准，降低了设计安全系数，提高了金属材料的许用应力，设计人员重新进行计算，计算结果见表1.裂纹深度没有超过理论最小计算壁厚，对裂纹的处理提供了理论依据，裂纹的处理也变的简单。为避免应力集中，只对裂纹进行打磨圆滑过渡。

表1 强度计算结果

（二）电力行业内对强度计算采用新的ASME2017标准（ASME美国机械工程师协会标准）有不同的看法，一般认为对现服役的承压部件，宜采用原设计或制造标准对其进行评判，且更注重保证设备运行的安全性。

对于电厂汽包材料SA299，则是在1999年的ASME增补版本中对确定许用应力的准则进行了修订，即将许用应力计算公式中的安全系数由4.0降到了3.5，从而按照较低安全系数核算后的许用应力出现了上调情况。一般来讲，设计制造中安全系数的调整多与冶金技术或炼钢工艺的提高相关，即同一牌号的钢板，随着的冶金技术的发展，其性能较早期生产的钢板性能有较大提高，相应的设计中的安全系数可以适当降低。因此，哈锅厂利用上调的许用应力进行强度计算，从技术层面讲此强度计算中的许用应力选取有待商榷，处理后的汽包安全问题也应引起高度重视，谨慎对待。

此外，ASME标准的前言中，明确规定了“规范的修订条款经ASME批准后，可从增补条款出版日期起开始使用，修订条款在出版六个月后成为强制性条款，但在此之前签订合同的除外。新标准规范对按ASME建造中使用的按较早版本材料标准生产的材料的适用性上，可能有影响，也可能没有影响”。可见，ASME对采用最新标准对较早期的材料或设备进行评判也是持谨慎态度。

四、总结

汽包是锅炉的重要承压设备，如果裂纹深度超过筒体理论最小计算壁厚，修复处理非常麻烦，处理工期需要两个月，处理费用需要几百万。电厂应在机组大小修中，密切关注汽包裂纹，尽早发现，分析原因，及时处理，避免裂纹扩展过深，产生不必要的维修费用，甚至发生重大安全事故。

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