某电厂高温再热器入口集箱筒身环缝裂纹分析及处理

徐祥久， 李秋石

(1.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150046;2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

0 前言

电站锅炉作为重要的承压特种设备，其承压结构的连接一般通过焊接的形式来实现，焊接接头的性能和质量是保证锅炉机组长期稳定运行的关键[1-3]。对于已投运锅炉机组需对其进行监督，掌握金属构件在服役过程中的组织、性能及缺陷萌生情况，发现并评估锅炉存在的问题与风险，分析问题产生的原因，使之在失效前得到及时有效的修复或更换[4]。对于焊接缺陷的分析通常需要在焊接接头位置进行取样检测[5-6]，然而，对于集箱筒身、锅筒等厚壁复杂结构取样会对部件产生较大损伤，因此在进行此类结构缺陷分析时应兼顾修复难度，最小化对原始结构的破坏。

1 锅炉机组简介

某电厂1 000 MW机组已投运近5年时间，其锅炉为超超临界变压直流锅炉，采用π型布置、单炉膛、反向双切圆燃烧方式。再热器入口蒸汽压力为5.11 MPa、蒸汽温度为353 ℃。高温再热器入口集箱筒身材料为SA-335 P22大口径钢管，直径为711 mm，壁厚为72 mm，其化学成分见表1。图1为缺陷位置集箱结构简图，仅示出了管孔位置和管接头中心线。

表1 SA-335 P22钢管化学成分(质量分数，%)

图1 高温再热器入口集箱

2 裂纹概况

在电厂对锅炉进行检修期间，在高温再热器入口集箱(右侧)的第4条筒身拼接环缝圆周方向上，MT检测发现11条横向裂纹(裂纹垂直于焊道方向)，裂纹分布无明显规律，裂纹长度为38～55 mm，通过UT测量裂纹深度为30～50 mm，图2所示为部分裂纹位置及表面形貌，将裂纹编号1～11 号。左、右2个高温再热器入口集箱，共12条拼接环缝，其余11条焊缝未发现类似裂纹。

3 金相检验

对2号裂纹区域筒体表面进行打磨抛光，并用硝酸酒精腐蚀，发现该环缝位置焊缝总宽度达130 mm，且焊缝宽度方向不连续，如图3所示，其中B，D，F区域为焊缝，A，C，E，G区域为原始母材。对1号裂纹检查也发现类似现象。

图3 2号裂纹附件筒体表面形貌

因锅炉机组为检修状态，不宜对集箱过度破坏，为确认焊缝的组织形貌，在垂直于焊道方向将焊缝用砂轮打磨剖开一个凹槽，凹槽深度约10 mm，然后对凹槽断面进行打磨并用硝酸酒精腐蚀，以观察焊缝及母材轮廓。发现B区焊缝宽度、形貌与图纸拼接环缝坡口尺寸相符，为正常拼接焊缝，但其表面5～7 mm深度范围内焊缝宽度异常，比理论坡口边缘宽出10～15 mm。D区和F区焊缝深度分别为6 mm和7 mm，如图4所示，其焊缝仅存在于筒体近表面区域内，为母材表面局部补焊，并非筒体拼接焊缝。

图4 D,F区焊缝焊缝轮廓

对A～G各区进行表面贴膜金相检测，结果如图5所示，母材组织为贝氏体+铁素体(图5a)、焊缝组织为贝氏体(图5b和5c)，焊缝与母材的组织均无异常，为正常的焊缝和母材组织。2号裂纹位于B区，即拼接焊缝位置，图5d为2号裂纹形貌。

图5 2号裂纹区域组织形貌

4 硬度检测

对2号裂纹位置各区域进行了硬度检测，每个区域测量3点取平均值，其结果如图6所示。B,D,F区为焊缝硬度，其硬度平均值分别为189 HB,190 HB和192 HB，三个焊缝区域硬度值较一致。各区域母材硬度检测平均值在158～163 HB范围内。焊缝、母材硬度的检测值均在合理范围内，均为消应力热处理后的合格硬度值。

5 原因分析及处理

由于锅炉机组检修期有限，且不宜过多破坏集箱本体，仅进行了无损检测、表面金相和表面硬度检测，然而裂纹附近区域焊缝和母材的组织、硬度检测结果均未发现异常，据此无法判断导致裂纹产生的原因。

根据裂纹区域焊缝超宽的情况，对高温再热器集箱制造过程进行分析，发现制造厂在集箱管接头装配、焊接时，需将集箱筒身放置在“V”形支架上，在转动过程中集箱筒身表面会与“V”形支架产生滑动摩擦，通常情况下这种摩擦不会对筒身表面造成损伤，但如果“V”形支架上存在焊接飞溅、异物等便会导致筒身表面划伤。因此，根据该环缝表面宽度和D,F区域焊缝深度推断，该环缝位置表面在集箱管接头装焊过程中被“V”形支架划伤，划痕宽度约为130 mm(不连续)、深度范围为5～7 mm(图7)，制造厂对筒身表面划伤区域进行了补焊，且补焊是在集箱整体消应力热处理前进行的，从焊缝表面硬度检测结果可证实。

图7 筒身表面划痕示意图

综上分析，该焊缝位置裂纹的产生与集箱筒身划痕补焊有直接关系。SA-335 P22的碳当量约为0.87%，有很强的冷裂纹敏感性，补焊过程中实际工件温度未能达到焊接工艺要求的最小预热温度，焊后未进行有效的消氢处理，导致补焊焊缝表面产生冷裂纹，且裂纹的产生会有一定的延迟性。这些冷裂纹尺寸相对较小，仅存在于集箱筒身表面补焊焊缝中。而补焊时集箱管接头已装焊完成，不利于补焊操作及焊后无损检测，以至于高温再热器入口集箱安装投运也未发现该问题。在锅炉机组运行过程中，受热应力的作用裂纹由焊缝表面逐渐长大并扩展，直至形成宏观表象，在检修时被发现。

针对该电厂高温再热器入口集箱环缝裂纹问题，在检修期间对11条裂纹进行返修处理，清除裂纹、补焊及焊后消应力热处理，作为临时解决方案，同时建议在下次检修期对该段存在补焊的集箱筒体进行局部更换作为最终解决方案，以保证该1 000 MW超超临界锅炉机组的长期稳定运行。

6 结论

通过对裂纹宏观形貌观察，裂纹区域焊缝和母材的金相、硬度检测，以及对集箱制造工艺过程分析。推断了导致高温再热器入口集箱筒身环缝横向裂纹的原因主要为制造过程补焊操作不当，补焊焊缝产生微小冷裂纹，锅炉运行过程中受热应力作用扩展，最终形成宏观裂纹。制造过程中出现质量问题应找到问题产生的原因，制定具体的处理工艺方案，并严格按工艺要求执行，才能保证产品的最终品质满足使用要求。