某电厂锅炉钢结构MB-3板梁裂纹原因分析

张济宇，宁亮亮，徐 斌

(1.建投国电准格尔旗新能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025；3.山东鲁能光大钢结构有限公司 山东 济宁 272000)

随着燃煤发电厂单机容量的增大，锅炉机组及其重要组成部件的重量和外形尺寸亦随之增大。大板梁是锅炉最重要的载荷载体，是锅炉钢结构的核心部件，其焊接质量直接影响着火电项目施工进程，因此是电厂建设中十分重视的关键部件。某电厂锅炉钢结构MB-3叠式板梁分为下梁和上梁，上下梁由叠合面高强螺栓连接(1674套螺栓)，下梁高度2 840 mm，上梁高度为2 840 mm，H 5 680 mm×1 800 mm×46 mm(腹板)×90 mm(翼缘板)，总高为5 680 mm，宽度为1 800 mm，长度为29 540 mm，总质量为165.768 t，安装后的主要作用是悬挂锅炉，是重要的受力部件[1]。

1 事件过程

2021年12月3日，设备监理工程师和质监人员在对某电厂2×66 kW机组项目1#锅炉钢结构大板梁MB-3进行检查时发现：上梁右侧支座处支撑加筋肋9PK4-5与加筋肋9PK4-6焊接时，角焊缝(焊缝编号：F5-9)焊趾处存在1条约300 mm长的裂纹。该条焊缝是11月29日由焊接作业人员采用二氧化碳气体保护焊进行焊接时形成的，焊接作业当天的环境温度是1～15 ℃，焊前预热温度是82 ℃。12月2日，无损检测人员依据《承压设备无损检测》(NB/T 47013.4—2015)标准对该焊缝进行磁粉检测[2]。在检测过程中发现该条裂纹后，仅口头通知铆工班报检人员。由于班组未及时处理，后将该缺陷遗漏，检测人员也未跟踪缺陷处理情况，所以在缺陷未得到处理的情况下就报监理工程师进行验收[3]。检查见证(验收)过程中发现裂纹后，设备监理单位对制造厂下发监理工程师通知单。电厂对该质量事件非常重视，派专业技术人员于12月8日到制造厂对整个事件进行调查。

2 现场调查及事件原因分析

2.1 现场调查情况

2.1.1 裂纹两侧钢板及焊接材料情况

支撑加筋肋。零件号：9PK4-5；钢材牌号/级别：A572Gr50；规格厚度：δ=90 mm；炉批号：L21A01064100；未见厂家出具的产品质量证明书，制造厂对原材料进行了复检，并出具了理化试验报告和超声波检测报告；理化试验报告编号：2021-27-1；试件编号：2M3808。经查证：钢材屈服强度、抗拉强度、伸长率、弯曲试验、冲击试验、化学分析(C、Si、Mn、P、S)指标均符合ASTM A572/A572M《高强度低合金铌-钒结构钢》的相关要求，但报告中未体现Nb含量，规程规定该牌号钢材Nb含量为0.005～0.05；超声波检测报告编号：2GBUT21-33；工件编号：2M3808；结果评定：合格。

肋板。零件号：9PK4-6；钢材牌号/级别：Q355B；规格厚度：δ=20 mm；炉批号：21507623；厂家出具了产品质量证明书，产品质量证明书编号：201731Z00180；制造厂也对原材料进行了复检，并出具了理化试验报告，理化试验报告编号：2021-28-2；试件编号：2M3905。经查证：质量证明书和复检报告结果显示钢材各项指标均符合《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2018)相关要求。

焊丝。首先，裂纹部位采用药芯焊丝进行施焊，焊材选用与母材相匹配，符合要求；型号：T492T1-1C1A；规格：1.2 mm；批号：2017411；质量证明书编号：QB21110281；入厂复验报告编号：2021-54。经检查，质量证明书和复验报告化学成分、屈服强度、抗拉强度、伸长率、弯曲试验、冲击试验数据均符合《非合金钢及细晶粒钢药芯焊丝》(GB/T 10045—2018)相关要求。

2.1.2 焊接作业人员情况

制造厂共有39名焊接作业人员，其中有3名焊接作业人员参与了该件板梁的焊接作业。作业项目：GTAW-FeⅡ-1G(K)-12-Fefs-11/16。经查验其中1名焊接作业人员焊工证真实有效，但裂纹焊缝的焊接位置是立角焊(3F)，而该名焊接作业人员作业项目与证件不符，据了解该名焊接作业人员从事焊接作业10多年，未间断立向上焊作业项目的作业。其余2人是进行的埋弧焊，与裂纹焊缝无关，焊接作业项目中从事工作与其证件相符。

2.1.3 无损检测情况

制造厂共有5名检测人员和2名理化检验人员。制造厂检测人员证件齐全，均在有效期内。超声波检测设备2套，标准试块、各种规格探头齐全；磁粉检测设备2套；光谱仪2套；拉伸试验机1台；冲击试验机1台；化学分析仪器1套；实验室仪器、设备齐全。12月2日，检测人员对MB-3板梁进行磁粉检测时，发现该条裂纹，详见磁粉检测记录，并口头通知到铆工班报检人，但班组未及时处理并将该缺陷遗漏，检测人员也未跟踪缺陷处理情况，导致缺陷在未处理的情况下就报监理工程师进行验收。

2.1.4 计量器具情况

经检查，制造厂计量器具台账、校验报告、检测设备(附属仪表)台账齐全，相关信息录入齐全，未见超期服役现象，符合要求。

2.1.5 工艺、方案情况

经检查，《作业指导书》《焊接工艺规程》《钢结构焊接工艺评定报告》《技术工艺措施通知单》《预防措施单》(针对该事件)符合《承重钢结构制造技术条件》《钢结构焊接规范》(GB/T 50661—2011)和《锅炉钢结构制造技术规范》(NB/T 47043—2014)相关条款要求。

2.1.6 工艺执行情况

经检查制造厂钢结构角焊缝焊接过程控制检查记录表，该条焊缝是11月29日由焊接作业人员谢某采用二氧化碳气体保护焊进行焊接时形成的，当天环境温度是1～15 ℃，焊前预热温度是82 ℃，焊接电流是210～232 A，焊接电压是24～26 V，焊接速度是26～30 m/h。对钢结构角焊缝焊接过程控制检查记录表记录的数据进行分析，发现存在如下问题。

1)预热温度82 ℃不符合要求，且未注明预热宽度。《承重钢结构制造技术条件》中规定，当δ>65 mm时，A572Gr50的最低预热温度为110 ℃。《钢结构焊接规范》(GB 50661—2011)中规定，当t>80 mm时，Ⅱ类钢材最低预热温度为100 ℃。制造厂《焊接工艺规程》中规定，当t>80 mm时，最低预热温度为100 ℃。所以实际预热温度与规程和锅炉厂制造技术条件不符。

2)焊接方法：二氧化碳气体保护焊(FCAW)；焊接位置：3F；记录的焊接参数符合焊接工艺评定要求。

3)根据记录和管理人员事后的描述，实际操作过程中，焊接顺序未严格按照多道焊分层循环焊接进行。

2.1.7 焊材库管理

焊材入库记录齐全，焊接材料质量证明书齐全，焊材熔覆金属试验复检合格，焊材库除湿、温度记录齐全，焊材码放整齐，有标识，焊材出库领用记录齐全。

2.1.8 裂纹焊缝位置检查

裂纹焊接位置结构复杂，空间狭窄，焊接作业人员操作不便；9PK4-6肋板三面焊结构、焊缝两侧母材板厚大(δ1=90 mm、δ2=20 mm)，产生裂纹焊缝处结构拘束度大，应力释放受阻。

2.2 裂纹原因分析

根据裂纹产生的位置、时机，结合母材、焊材检查结果，以及该裂纹附近结构情况和具体工艺执行情况描述，分析判断该裂纹是延迟裂纹，又称氢致裂纹，属于冷裂纹的一种。该裂纹产生需要3个条件：应力大；有氢元素来源，且氢元素未及时逸出；存在敏感部位，即存在应力集中现象。

1)应力大

产生裂纹的部件是三面焊结构，共有6条焊缝，与其进行焊接的钢板(厚度分别为支撑加筋肋δ1=90mm、腹板δ2=46 mm、筋板δ3=20 mm)厚度大，刚度大，拘束度大，存在较大的结构应力。

焊接顺序不对，应该采用分层循环焊接，以减小焊接残余应力，尤其是在结构应力较大时，无法通过变形释放应力，不采用正确的焊接顺序，即使该条焊缝不产生裂纹，焊缝也会存在较大的内应力。

预热温度过低，且不能保证预热的均匀性，未能有效降低焊接应力和应变速率，易产生焊接裂纹。

预热温度过低，未能有效降低焊接结构的拘束度，尤其是角接接头的拘束度升高尤为明显，随着预热温度的降低，裂纹缺陷发生概率提高。

2)有氢元素来源，且氢元素未及时逸出

通过检查发现，氢气来源有如下可能：现场检查发现部分对坡口及附近母材金属焊前打磨不彻底，不排除产生裂纹焊口附近母材金属打磨不彻底；不排除二氧化碳气体纯度不够，其中含有超标水分；不排除药芯焊丝有受潮的可能。

焊前预热温度过低，实际施工过程中无法保证预热宽度和预热均匀性，且焊后未及时进行消氢处理，致使氢在熔池中未及时逸出。

3)存在敏感部位，即存在应力集中现象

由于角焊缝焊趾处截面变化较大，在焊趾处存在应力集中现象，该位置拉应力最大，为氢元素聚集提供了条件，大量氢元素聚集后生成氢气，氢气的产生最终导致该条裂纹的形成。

通过上述分析可知，裂纹是否产生的关键是焊趾处氢元素浓度是否达到该条焊缝的开裂限值(每条焊缝内应力大小均不同)。可以进行如下总结。

①该位置结构复杂，空间狭窄，焊接作业人员操作不便。

②9PK4-6肋板三面焊结构、焊缝两侧母材板厚大(δ1=90 mm、δ2=20 mm)，产生裂纹处焊缝结构拘束度大，内应力释放受阻。

③预热温度未达到焊接工艺规程要求，熔池金属冷却速度过快，导致产生较大内应力，且对熔池中氢逸出不利。

④实际操作过程中，焊接顺序不对，且未严格按照多道焊分层循环焊接，造成应力集中。

⑤由于结构原因，角焊缝焊趾处存在较大的应力集中现象，只能通过焊缝成形减少应力集中。

⑥该焊缝焊接作业人员实施焊项目与证件不符，存在超范围施焊情况。

2)可以排除的原因

①仪器、设备没有问题。

②检测人员、检测设备符合相关要求。

锁合随动式限幅机构钢球锁释组件的解锁原理如图6所示。在飞行工作阶段以及钻取采样前半阶段，钢球锁释组件处于锁定状态，此时钢球预紧弹簧压紧钢球，在弹簧的预紧力Fx的作用下，钢球始终位于锁定支座凹槽内。在锁定状态时，限幅机构将承受来自钻进机构的法向加载力。当法向加载力Fp超过钢球锁释组件设定的解锁力后，钢球将从凹槽中脱出，从而实现限幅机构的解锁。

③焊接工艺评定、焊接施工方案文件符合要求。

3)尚不确定的地方

未见部分原材料的质量证明书，不排除原材料原因导致裂纹的产生，最终还要见到质量证明文件后再下定论。若对母材、焊材质量持怀疑态度，可外委有资质的第三方实验室进行复检。

因此，可根据事故原因综合分析，对裂纹部位进行焊接修复，并对补焊部位进行无损检测。

3 钢结构MB-3板梁焊补工艺

3.1 焊接设备及材料的选用

1)母材介绍

支撑加筋肋材质：A572Gr50；规格厚度：δ=90 mm；肋板材质为：Q355B；规格厚度：δ=20 mm。

2)设备介绍

选用二氧化碳气体保护焊机，型号为NBC-500奥太焊机，采用直流反接。

3)焊接材料

焊丝选用型号为T492T1-1C1A，焊丝直径为1.2 mm；

3.2 焊接操作工艺

1)焊接方法为二氧化碳气体保护焊(FCAW)。焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数选择

2)焊前准备

焊接位置：3F，即T型接头立焊位置，采用碳弧气刨彻底清除原缺陷部位及焊缝纵向位置两端各50 mm范围内的填充金属，并用打磨机在返修部位焊缝区及两侧各20 mm范围打磨出金属光泽，返修焊接区域经磁粉检测确认无缺陷后，按返修工艺要求进行焊接作业工作；焊前预热采用火焰加热，在返修焊缝背面左右各100 mm范围内均匀摆动升温；在焊缝正面离焊缝中心左右各75 mm处测量预热温度，采用红外测温仪实测预热温度为127 ℃。

3) 焊接过程监督检查

使用二氧化碳保护气体纯度高于99.9%(合格证标示)，气体流量采用20～25 L/min(气体流量计显示)，焊接电流在240～280 A(焊接电流表显示)，焊接电压在28～30 V(焊接电压表显示)，焊接速度25 cm/min(计时测算)，层间温度实测140 ℃，焊后外观检查平整，无表面气孔、夹渣、咬边等缺陷。焊后打上焊工钢印。

为防止延迟裂纹的产生，焊后对该条焊缝进行脱氢处理，温度为200～250 ℃，保温1 h，并依据《钢结构焊接规范》(GB 50661—2011)8.2.8条规定对返修焊缝进行磁粉检验，未检出超标缺陷。

4 结语

根据故障原因，即委托方未对该缺陷及时进行处理，导致遗漏，检测部门也未对此事进行跟踪，暴露出制造厂没有对缺陷进行跟踪关闭，管理流程存在漏洞。与此同时，焊工未按照焊接工艺规程进行施工，焊工操作水平未通过工艺评定，从而造成焊接裂纹的出现，值得警惕和深思，为广大电建企业施工提供借鉴。