T23钢水冷壁焊缝泄漏原因分析和预防措施

上海电力建设有限责任公司 蒋林弟

T23钢作为一种锅炉受热面材料，早期曾应用于亚临界机组或普通超临界机组锅炉过热器与再热器部件。随着超超临界机组的发展，锅炉容量增大、参数提高，水冷壁作为机组向高参数过渡的关键部件之一，传统的T12、T22管材无法满足使用要求，若采用T91，一方面成本较高，另一方面焊后需要进行焊后热处理。对于水冷壁这样大而薄的平面形构件，热处理不仅难度大、而且易变形。而T23钢的适用温度和高温蠕变强度介于T22与T91之间，其引入国内应用时，国外文献资料曾报道T23钢焊接可以不预热，焊后不热处理[1]，因此基于上述多方面原因，T23钢在超超临界锅炉水冷壁上得到应用。

但前期投产的多台超超临界百万机组塔式锅炉T23水冷壁焊缝泄漏情况时有发生，有的在投用初期即发生较多泄漏。本文针对T23水冷壁多次发生泄漏情况，从T23钢材料性能、焊接工艺、水冷壁结构特点、机组运行等方面分析探讨产生原因，并提出相应对策措施，为同类型锅炉T23钢水冷壁的焊接提供借鉴。

1 水冷壁泄漏情况概述

从前期投产的多台超超临界塔式锅炉T23水冷壁发生泄漏的统计情况看，泄漏主要集中在锅炉标高40米到70米之间，大多位于拘束应力较大区域的锅炉配件安装的位置，包括刚性梁、塞板、小嵌板与水冷壁之间的角焊缝、水冷壁管与鳍片角焊缝等，也有个别安装焊口。其中刚性梁与管子角焊缝、鳍片与管子角焊缝引起的泄漏约占80%以上。泄漏点位置和形貌如图1～4所示。

2 水冷壁泄漏原因分析

2.1 T23钢焊接性

T23钢是在T22钢的基础上进行改良，通过添加W、减少Mo及添加V、Nb、N、B等元素提高材料的高温蠕变强度，同时降低含碳量，降低硫、磷等杂质含量，改善其焊接性，由此获得综合性能良好的材料，国外资料报导T23可以不预热、焊后不热处理。但是随着T23钢应用中出现的问题，以及国内对T23的焊接性及焊接接头性能的深入研究，对T23钢焊接性需要进一步的认识。

T23钢有一定的冷裂倾向，锅炉厂斜y焊接性试验结果表明，预热温度100℃时T23焊接裂纹率才为零，如焊接前预热温度不足，在结构拘束应力大的情况下有可能引起冷裂纹[2]；T23钢具有非常明显的再热裂纹倾向，敏感温度区间为580℃～750℃，最敏感温度650℃，若机组在一定高温下服役且结构应力和焊接残余应力较大时，可能产生再热裂纹[3]；T23在550℃时的时效倾向明显[4]，需要其具有一定的韧度储备，但T23焊缝及热影响区在焊态下冲击韧性偏低。焊接工艺评定试验表明，T23焊后不热处理时焊接接头的抗拉强度、弯曲试验合格，但焊缝及热影响区的硬度值偏高、冲击韧性偏低，而经700℃～730℃×2h热处理后，焊缝及热影响区的冲击韧性显著提高。

2.2 焊接工艺的影响

焊接方法对T23钢的焊缝韧性有极为明显的影响，工艺评定试验结果，氩弧焊的焊缝在焊态下，0℃时的韧度200J/cm2以上，焊条电弧焊的焊缝韧性比氩弧焊焊缝低，必须经过焊后热处理才能使其韧性达到较高的水平；T23钢焊缝的冲击韧性对焊接工艺参数很敏感，焊前预热不到位、焊后没有保温缓冷措施、焊接电流偏大、焊缝成型过宽、多层多道焊操作不规范等，都会对焊接接头冲击韧性产生不利影响。

实际操作中焊工技能不佳或工作习惯不良，造成焊缝外观成型差、没有圆滑过渡、存在咬边、弧坑等焊接缺陷，使焊接接头性能下降和产生应力集中；施工过程中对T23水冷壁管与鳍片或其他锅炉配件的焊接工艺不重视，对焊接顺序、焊接质量不严格控制，由此产生焊接缺陷及较大的焊接残余应力成为裂纹产生和扩展的诱发因素。

2.3 水冷壁结构特点

塔式锅炉水冷壁采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的型式，螺旋段水冷壁经中间集箱混合后再由连接管引出，形成垂直段水冷壁。在锅炉40米至70米标高区域布置了多层刚性梁，结构复杂，刚性梁与水冷壁依靠大量的铁件联接，水冷壁受刚性梁、铁件拘束，应力不易得到释放；螺旋段水冷壁四角转角处弯管的角焊缝密封焊，焊接工作量巨大，由此产生拘束应力和焊接应力的叠加，成为裂纹扩展、造成泄漏的外部因素。

2.4 机组运行及启停因素

机组启停或调峰过程中负荷的突升、突降造成水冷壁管与刚性梁之间不均匀膨胀，频繁的交变应力容易使应力集中处开裂泄漏；另外现在机组点火采用等离子点火及助燃用油技术，点火初期控制不当产生爆燃加剧了对水冷壁的损伤。

3 对策措施

3.1 焊接工艺改进

水冷壁管焊接采用全氩弧焊，焊前预热温度150℃～280℃，火焰加热，层间温度150℃～280℃，多层多道焊，特别要求盖面层采用多道焊，焊后采取保温缓冷措施；严格控制焊接电流，适当提高焊接速度，减小焊接热输入量。加强每层、每道焊道之间的打磨清理，保证焊缝质量，焊缝外观成型要求圆滑过渡、无咬边等超标缺陷，焊后进行100%外观检查和消缺；对壁厚超过8mm的T23焊口进行焊后热处理，热处理恒温温度720℃～740℃，恒温时间9～10min。若不能及时进行焊后热处理应立即进行后热，后热温度300℃～400℃，保温时间2h～4h。

3.2 针对水冷壁结构特点相应的建议和措施

建议合理改进结构设计，在保证强度的前提下，尽量减少焊接工作量。

水冷壁T23管与镶嵌块及镶嵌条焊接、鳍片密封焊焊接工艺改进：水冷壁T23管和镶嵌块及镶嵌条焊接采用全氩弧焊，鳍片密封焊采用焊条电弧焊；镶嵌块及镶嵌条焊接应在完成管道焊口射线检验且结果合格后进行，镶嵌块及镶嵌条与管子的焊接部位焊前必须打磨出坡口并清理干净，严格控制装配间隙以减小对T23钢管侧的热输入量；焊前预热，焊后保温缓冷，控制层间温度。若焊接中断应进行后热并保温缓冷，重新恢复焊接前应再次进行预热；焊接时采用分段焊工艺，减小焊接应力和变形，焊缝外观成型要求圆滑过渡、无咬边等超标缺陷，焊后进行100%外观检查和消缺。

机组调试及运行时严格控制机组启停升降温速度，保持燃烧稳定，防止操作不当，防止超温运行。每次停炉对水冷壁刚性梁和铁件集中位置进行查漏消缺。

5 结语

通过长期以来的工程实践，以及不断加深的对T23钢性能、焊接特点认识，目前工程中严格执行了改进后的焊接工艺，采取了相应的对策措施，并且加强监督和管控，塔式锅炉水冷壁T23钢焊接质量明显提高，对防止水冷壁泄漏，确保机组安全可靠运行有着非常积极的作用。