屏再出口分配集箱管座角焊缝裂纹原因分析及处理措施

屏再出口分配集箱管座角焊缝裂纹原因分析及处理措施

王成

中电建甘肃能源华亭发电有限责任公司，甘肃省 平凉市华亭县 744106

[摘 要]对屏式再热器出口分配集箱管座角焊缝进行磁粉检测发现管座角焊缝多处裂纹，经分析认为，主要由于焊接质量缺陷，屏再受热面设计刚性太大，导致受热面管、出口分配集箱、出口集箱的纵向膨胀和横向膨胀不匹配导致焊缝拉裂，针对上述原因提出了裂纹修复措施和后续监督处理意见。

[关 键 字]管座角焊缝、裂纹、原因分析、处理措施

1前言

某电厂#1锅炉为东方锅炉（集团）股份有限公司设计、制造的145MW超高压循环流化床锅炉。锅炉型号为 DG480/13.6-Ⅱ型，属单汽包、自然循环、一次中间再热、全封闭式布置炉膛。自2006年底投产至2023年B级检修已累计运行约8.9万h，2020年初开始参与深度调峰。屏式再热器出口压力2.54MPa，温度540℃，屏式再热器受热面管共四片，每片31根管，为膜式结构，垂直悬吊在炉膛上部靠近炉膛前墙，在屏式再热器下部转弯区域范围内设置有耐磨材料，整个屏式再热器自下向上膨胀。

2检验结果

2023年B级检修过程中对#1炉屏式再热器出口分配集箱正下方受热面管座角焊缝及对接焊缝进行100%磁粉检测，对焊缝存在裂纹的受热面管座、出口分配集箱、管座角焊缝进行硬度、光谱检测，对硬度检测不合格的受热面管取样进行硬度、金相检测。屏再受热面管（Φ76×6，T91、Φ51×6，12Cr1MoVG），炉内受热面管材质为T91，炉外变径管（R-76-51）材质为12Cr1MoVG，Φ76处为异种钢焊接，Φ51处与出口分配集箱受热面管座同材质同规格焊接，屏再出口分配集箱（Φ219×36，12Cr1MoVG）、屏再出口集箱（Φ508×20，12Cr1MoVG）。

2.1磁粉检测

对#1炉A→B第3片、第4片屏再出口分配集箱正下方受热面管座角焊缝进行磁粉检测，发现屏再出口分配集箱管座角焊缝存在较严重的裂纹，扩大检测范围对A→B第1片、第2片屏再出口分配集箱管座角焊缝进行磁粉检测，共检测管座角焊缝248个，发现裂纹63处，全部位于管座角焊缝出口分配集箱侧熔合线上，裂纹长度约30-50mm，裂纹形貌见图1，裂纹具体分布见表1。

图1 裂纹形貌

表1 #1炉屏再出口分配集箱管座角焊缝裂纹分布统计表

2.2硬度检测

使用便携式里氏硬度计对4片屏再出口分配集箱管座角焊缝裂纹较严重部位母材、焊缝和受热面管进行硬度检测，对存在裂纹的管座角焊缝、受热面管座母材和裂纹临近区域的出口分配集箱母材进行了硬度测试，共抽查6组，集箱、受热面管座及焊缝硬度检测结果均满足标准要求，硬度检测结果见表2。补焊热处理后进行硬度检测时发现第一片屏第15根管硬度测试异常，使用便携式里氏硬度计测试不出数据，割管送实验室采用台式布氏硬度计对取样管段进行布氏硬度检测，试验选用直径2.5mm硬质合金钢球，施加1.839kN试验力，保载时间15S，实测硬度采取HBW2.5/187.5，检测结果HBW2.5/187.5为155.2，符合标准要求。

表2裂纹处集箱母材、受热面管母材和焊缝硬度

注：（1）编号第一组数字表示从A→B管屏排数，第二组数字表示从后→前管子编号，第三组字母表示测量位置；

（2）DL/T438-2016附录C对12Cr1MoVG钢的硬度要求为HB135-195；

（3）DL/T869-2021对焊缝的硬度要求为不超过母材布氏硬度值加HBW100，且合金总含量≤3%时，硬度值≤HBW270。

2.3材质成分分析

采用直读光谱仪对出口分配集箱和受热面管座进行材质成份分析，具体分析结果见表3。

表3光谱材质成份分析结果

分析结果可知，出口分配集箱、受热面管材质成份中主合金元素含量满足GB/T 5310-2017对12Cr1MoVG材质的要求。

2.4微观组织分析

对硬度检测异常的第一片屏第15根管母材横截面镶嵌金相试样，采取4%硝酸酒精溶液侵蚀，采用MA200台式显微镜下显微组织观察分析，微观组织形貌见图2。

图2试样横截面200X

组织为铁素体+少量珠光体+析出碳化物。珠光体区域已显著分散，仍保留原有的区域形态，边界线变模糊，碳化物聚集长大呈条状、点状，晶界上颗粒状碳化物增多、增大呈小球状分布。依据DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》进行评定，珠光体组织球化3级。

3原因分析

通过对裂纹处受热面管、屏再出口分配集箱母材、焊缝进行硬度检测硬度值符合标准要求，对#1炉屏再出口分配集箱、受热面管座进行材质成份分析结果均符合要求，对受热面管试样进行微观组织分析，结果符合标准要求。检修过程中对屏再出口分配集箱、屏再出口集箱及屏再出口管道支吊架进行冷态检查，未发现支吊架偏斜、卡涩、失载、和超载等现象。

所有裂纹均为横向裂纹，裂纹沿着焊缝靠近出口分配集箱侧熔合线开裂，打磨过程中观察裂纹由外往里裂，A、B面均有裂纹存在，非膨胀侧比膨胀侧较多，第1、2片屏再出口分配集箱靠B面裂纹较多（向A侧膨胀），第3、4片屏再出口分配集箱靠A面裂纹较多（向B侧膨胀）。

结合材质成份、硬度、金相检测结果、缺陷分布情况、裂纹形貌和集箱支吊架冷态检查结果对裂纹原因进行综合分析，一是在深度调峰工况下，屏再受热面管与屏再出口分配集箱纵向膨胀量在机组负荷快速调整时不一致，导致焊缝拉裂；二是屏再受热面管、出口分配集箱与出口集箱、出口管道横向膨胀两不一致，出口集箱、出口管道膨胀超过屏再受热面管、出口分配集箱横向膨胀设计值，造成非膨胀侧焊缝拉裂较多；三是屏再受热面出口管排管子弯管只有2根，其余全部直管与出口分配集箱焊接，在锅炉运行期间，受热面管座角焊缝不仅直接要承受着下方管子的自身重力所产生的切应力,还要承受负荷变化时引起的温度变化带来的热应力，在应力长期作用下，焊缝极易产生裂纹；四是焊接质量缺陷导致焊缝强度不足，割管取样后对管口检查发现存在明显的未焊透和未熔合区域，见图三。

图三焊接质量缺陷

4裂纹处理

4.1裂纹消除

#1炉屏再分配集箱裂纹消除均采用机械打磨，打磨时为防止将分配集箱及受热面管壁厚打磨减薄，开始打磨使用φ100角磨机横向垂直沿裂纹深度方向打磨，随着打磨深度增加，防止误伤两侧受热面管，采用返修磨头打磨，打磨过程中肉眼无法观察到裂纹时必须配合MT或PT检测，根据裂纹分布位置调整打磨方向，裂纹是否消除必须经过MT检验确认。

4.2焊前预热

焊前预热采用氧气乙炔加热，加热范围以补焊点为中心向四周延伸不少于100mm，焰心至工件距离不得小于10mm，同时注意火焰燃烧情况，不得使工件表面夹碳或氧化，喷嘴移动速度应稳定，不得在同一位置长时间停留，确保加热均匀，由于受热面管与出口分配集箱规格不同，加热过程中应通过测温调整加热位置，确保温差小于30℃，且内外壁加热均匀。

4.3氩弧补焊

焊接前对缺陷部位打磨成“V型”坡口，坡口角度不小于50°，保证根部能焊透，并对补焊部位周围10mm范围打磨出金属光泽，焊接采用全氩弧进行补焊，焊材为R31焊丝，补焊区域焊接成型应良好、无咬边、裂纹及表面气孔等，两侧应圆滑过渡，必要时打磨修复。

4.4焊后热处理

焊后热处理采用柔性陶瓷电阻加热法，管座和联箱分区控温的方法。为了更为科学的设定恒温温度，在热处理前对热处理部位的焊缝和母材分别进行了硬度抽查测试，根据原始硬度确定恒温温度，防止热处理后导致焊缝和母材硬度不达标。对于较为分散的管座角焊缝，选择宽度较窄的联箱加热片，防止母材热处理影响区过大。较为集中的管座角焊缝，尽量使用较宽的联箱加热片，防止母材二次受热，硬度降低幅度太大。联箱吊耳附近的管座角焊缝在热处理前，应使用倒链提前对联箱进行拉紧卸力，防止热处理过程中吊耳拉裂，热处理后通过检查热处理曲线、硬度测试，对热处理过程进行评价。

4.5焊后检测

无损检测执行两次检测，焊接完成后进行一次检测，确认无缺陷后进行热处理，热处理完成后首先进行硬度检测，硬度值符合标准要求后进行最终验收检测，执行两次检测可以预防因焊接缺陷导致热处理后返口后再次热处理，一是两次热处理造成母材硬度下降，二是节约检修时间。

5建议

一是检查屏再出口分配集箱、屏再出口集箱及屏再出口管道热态最大负荷工况下支吊架状态，有无偏斜、卡涩、失载及过载等情况。

二是检修时在屏再出口分配集箱及屏再出口集箱加装膨胀指示器，热态时记录不同负荷工况下膨胀量，与原设计进行比对。

三是计划下次检修时对各屏再受热面管、屏再出口分配集箱进行金相检验，进一步确认相关部件材质组织变化情况。

四是经咨询其它同类型循环流化床锅炉也存在类似问题，目前想要彻底解决需进行改造，但改造工作量大，施工难度较大，一般采取切开出口受热面管鳍片增加整体柔性，利用检修机会对管座角焊缝以下2m受热面管鳍片切割以增加管屏整体柔性。

参考文献：

[1]刘佳伟.12CrlMoV 高温集箱接管座角焊缝裂纹原因分析及处理建议

作者简介：

王成（1984-），男，甘肃平凉人，大学本科，工程师，主要从事电厂管理工作。