余热锅炉角焊缝裂纹原因分析及防范

原文博

摘要：余热锅炉通过燃气轮机产生的高温排气加热炉内循环工质，产生高温高压蒸汽带动汽轮机做功来发电。余热锅炉为德国Borsig公司制造的改进型倒U型套管加热器。这种双套管余热锅炉具有能吸收部分热膨胀差，结构简单的优点。但由于结构过于紧凑，也给漏点查找及检修工作带来不便。装置投入运行后，多台余热锅炉先后出现了锅炉给水串入裂解气侧，影响余热锅炉正常运行，最终被迫停下检修的问题

关键词：余热锅炉;调峰运行;角焊缝裂纹

引言

作为与燃气轮机配套的设备，余热锅炉承担着机组调峰运行。在机组频繁启停运行模式下，余热锅炉汽水系统受热面易受力产生裂纹而发生泄漏。从受热面小径管、联箱管道的角焊缝结构出发，分析了裂紋的宏观特征和微观组织，指出了产生应力的原因，并提出了减小应力的防范措施，保证了机组的安全稳定运行。

1概述

近年来，余热锅炉多次发生裂解气出口管与锅炉给水下集合管连接角焊缝产生穿透性裂纹的事故。致使高压锅炉给水进入低压裂解气侧瞬间汽化，阻碍裂解气的流动，最终引起炉管结焦速率加快。如果判断不及时，将使整根辐射炉管结焦堵死，严重影响装置安全生产。经过分析，发现角焊缝裂纹具有如下的特征：（1）均为联箱与小径管角焊缝部位，裂纹位于小径管侧焊缝热影响区部位;（2）再热器Ⅰ，Ⅱ下联箱与受热面小径管屏焊接均为异种钢焊接接头;（3）裂纹的形貌均为裂纹从外向内开裂;（4）裂纹均为横向裂纹。再热器Ⅰ角焊缝取样的金相组织和显微硬度结果基本正常，角焊缝部位裂纹的产生更大可能与其承受的应力有关，包括下集箱和管子间的P91/T23异种钢焊接残余应力以及管子与集箱间结构应力等因素。在机组频繁启停的恶劣工况下，裂纹会不断扩展直至形成贯穿性裂纹，引起泄漏。宏观检查断口形貌，断裂部位基本位于角焊缝的边缘，从断口部位主裂纹产生于角焊缝粗晶区、二次裂纹存在晶间开裂等特征来看，该裂纹具有一定的再热裂纹倾向。联箱角焊缝部位本身存在一定的焊接残余应力和较大的结构应力，再热器Ⅱ管运行温度与低合金钢550～650℃的再热裂纹敏感区间相近，极易促进裂纹的产生。在目前燃机频繁启停的工况下，裂纹一旦产生，就会快速扩展直至贯穿，导致炉管泄漏。

2裂纹产生的原因分析

低合金耐热钢的焊接具有以下特点：这些材料按其合金含量具有不同程度的淬硬倾向，在焊接热循环决定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂敏感的显微组织，延迟裂纹的形成是焊缝中氢、焊接接头金属中所承受的拉应力及钢材淬硬倾向造成的金属塑性储备下降三个因素交互作用的结果。SA336F22CL3最低抗拉强度为515MPa，强度高且厚度大。钢的淬硬倾向取决于它的碳含量、合金成分及其含量。低合金耐热钢中的铬和钼等元素都能显著地提高钢的淬硬性。对于成分一定的合金钢，最高淬硬度取决于从奥氏体相的冷却速度。铬和钼含量的增加，厚度的增大，钢种的淬硬倾向增大，焊接过程中，如冷却速度过快，焊缝及热影响区就很容易形成淬硬组织，从而导致设备运行中在应变应力作用下形成垂直于焊缝的横向冷裂纹。该设备出现裂纹的焊缝是合拢口，焊接工艺要求：焊前预热180-200℃，焊接过程中控制道间温度范围为180-300℃，连续焊接，否则立即进行消氢处理;除打底层和盖面层外逐层锤击;焊后立即进行300-350℃，保温3h消氢处理;焊后至少24h再进行无损检测。最后进行局部消除应力热处理。实际焊接过程：用火焰预热，预热范围为焊缝两侧各100-150mm，范围较窄，温度梯度较大，焊接接头会形成一定的热应力;焊接过程不是连续焊接，中断焊接时做的消氢处理不很及时;层间锤击没有做到逐层进行，焊缝内部存在一定的残余应力;道间温度满足工艺要求;焊后消氢处理是用火焰进行的，范围为焊缝两侧各150mm，消氢处理做的不很及时。无损检测发现此焊缝内部有圆形缺陷，但并未超标，按JB/T4730.2-2005，判为II级，合格。第二次出现裂纹后，对这条焊缝又进行了硬度测试，共测定了16点，发现硬度值均超过了350HB，说明焊后局部热处理效果不好。综上分析，焊缝及热影响区在冷却过程中产生了脆硬的马氏体组织，由于消氢处理的不及时，在焊接接头中会残留少量氢，由测定的硬度值可以判断热处理效果不很好，焊接接头中存在焊接残余应力和各种拘束应力，设备在运行过程中又经历各种热交变应力，当应力达到一定程度，在接头内部有微观缺陷的薄弱部位就产生了裂源，并随着时间的延长而扩展到焊缝表面，形成了冷裂纹。

3防范措施

3.1将原角焊缝全焊透结构更换为加强型接管座，且管座材质与联箱一致，使异种钢焊接接头为对接焊缝，强化应力集中部位。接管段时，应保持冷态自由垂度，其焊接对口的焊缝宽度精准控制，要求施工人员工作经验丰富。

3.2管屏角焊缝焊接质量全面评估，保证焊接质量良好，且异种钢焊接接头的焊接材料应采用低匹配原则。

3.3由于余热锅炉结构紧凑，无检修空间，无监测手段，不利于提前防范。专业人员应利用机组检修时机，通过割开下部连通管拉开相应联箱来检查易发生缺陷的部位，预防检修周期内运行泄漏。

3.4 加强锅炉启停过程中的参数监视，如烟气温度、再热蒸汽温度和压力，并控制余热锅炉升降负荷速率。停炉过程中，尽量采用较低的温降速度，每分钟不超过6 ℃。对直接影响管道膨胀的主要因素——再热蒸汽温度，应关注随再热蒸汽温度变化产生的管道壁温变化和管道膨胀变化，优化启动速度和运行操作。

3.5探讨频繁启停模式下，保障余热锅炉汽水系统部位材质优化、寿命延长等措施，以缓解机组日开夜停运行方式与设计连续运行模式不符带来的问题。

结语

针对余热锅炉耐热钢管板与管箱筒体环焊缝产生裂纹原因的分析及裂纹缺陷的修复，总结了大厚板耐热钢焊接要点，为大厚板耐热钢产生焊接缺陷的现场修复积累了经验。

参考文献：

[1] 刘国瑞，等.腐蚀与防护手册[M].北京：化学工业出版社.1991.502-503，544-545

[2] 周振丰主编.金属熔焊原理及工艺[M].北京：机械工业出版社，1981.

[3] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册（第3版）第2卷材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，2008.

（作者单位：鞍山开炭热能新材料有限公司）