趙坤

主蒸汽管焊縫裂紋原因分析及處理

趙坤

（大唐石門發(fā)電有限責(zé)任公司 湖南常德 415300）

本文對(duì)火力發(fā)電廠主蒸汽管焊縫裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，制定了主蒸汽管焊縫裂紋處理方案，為主蒸汽管焊縫超標(biāo)缺陷的處理提供參考。

主蒸汽管；焊縫：裂紋；修復(fù)

前言

主蒸汽管道、再熱蒸汽熱段管道、再熱蒸汽冷段管道和主給水管道是火力發(fā)電廠最重要的四條管道，簡稱“四大管道”，其中主蒸汽管道是連接鍋爐末級(jí)過熱器出口聯(lián)箱和汽輪機(jī)進(jìn)口主汽門用于輸送高溫、高壓蒸汽的重要壓力管道，一旦主蒸汽管道出現(xiàn)異常，將直接威脅主設(shè)備及人身安全，甚至可能導(dǎo)致群死群傷事件發(fā)生，因此火力發(fā)電廠應(yīng)高度重視主蒸汽管道在內(nèi)的四大管道的金屬技術(shù)監(jiān)督工作，確保其安全可靠運(yùn)行。下面結(jié)合大唐石門發(fā)電有限責(zé)任公司#1機(jī)組主蒸汽管道焊縫裂紋產(chǎn)生的原因及處理方案進(jìn)行介紹。

1 概況

2016年05月14日，#1機(jī)組C級(jí)檢修，公司設(shè)備部金相室會(huì)同湖南電科院金屬室開展了主蒸汽管道焊縫的金屬檢驗(yàn)工作，在對(duì)#1機(jī)組主蒸汽管#9焊縫進(jìn)行超聲波檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩處超標(biāo)缺陷，缺陷1在爐前往爐后看約2點(diǎn)半位置，缺陷最大當(dāng)量深度位于37.8mm，指示長度80mm，反射當(dāng)量φ3×40+5dB，距焊縫中心偏下約12mm，按《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（DLT820-2002）標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅳ，不合格；缺陷2在爐前往爐后看約9點(diǎn)位置，缺陷最大當(dāng)量深度位于60mm，指示長度20mm，反射當(dāng)量φ3×40+1dB，距焊縫中心偏下約5mm，按《管道焊接接頭超聲波檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》（DLT820-2002）標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅳ，不合格。

現(xiàn)場(chǎng)#9焊縫位置圖及缺陷示意圖如圖1所示。

圖1 #9焊縫位置圖及缺陷示意圖

查閱臺(tái)賬，#1機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)為SA335-P22，#9焊縫處主蒸汽管道規(guī)格為φ534.5×83.1mm，截至2016年04月31日，#1機(jī)組運(yùn)行小時(shí)數(shù)為101032.97h。對(duì)該焊縫及附近的母管材質(zhì)進(jìn)行光譜成分定量分析未發(fā)現(xiàn)異常，焊縫硬度及母材硬度均在合格范圍內(nèi)。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

查閱公司2010年1號(hào)鍋爐定期檢驗(yàn)技術(shù)報(bào)告，對(duì)主蒸汽管#9焊縫進(jìn)行了超聲波檢查，未發(fā)現(xiàn)記錄缺陷，檢驗(yàn)合格。

查閱公司2012年1號(hào)鍋爐定期檢驗(yàn)技術(shù)報(bào)告，對(duì)主蒸汽管#9焊縫檢查發(fā)現(xiàn)了一條超標(biāo)缺陷和一條記錄缺陷，其中超標(biāo)缺陷最大當(dāng)量深度位于59.6mm，指示長度20mm，反射當(dāng)量φ3×40+0.6dB，位置從爐前往爐后俯視9點(diǎn)鐘，距焊縫中心偏彎頭側(cè)5mm，按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅳ，不合格，建議監(jiān)督運(yùn)行；記錄缺陷最大當(dāng)量深度位于38.1mm，指示長度5mm，反射當(dāng)量φ3×40-4.3dB，位置在從爐前往爐后俯視2點(diǎn)鐘，距焊縫中心偏彎頭5mm，按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)為Ⅰ級(jí)，合格。

針對(duì)圖1所示的缺陷1產(chǎn)生的原因進(jìn)行重點(diǎn)分析，通過2010年、2012年和2016年三次超聲波檢查的結(jié)果可以看出，#9焊縫內(nèi)部缺陷呈逐漸惡化的趨勢(shì)。

查閱#1機(jī)組主蒸汽管道原始安裝支吊架冷、熱態(tài)設(shè)計(jì)位移值，見表1。

表1

（1）坐標(biāo)系約定如下：從始建端（1號(hào)機(jī)組）指向擴(kuò)建端（2號(hào)機(jī)組）方向?yàn)閄正方向；從鍋爐向汽輪機(jī)方向?yàn)閆正方向；垂直向上為Y正方向，坐標(biāo)系如圖2所示。

（2）單位的規(guī)定：ΔX/ΔY/ΔZ 表示三向位移，單位為 mm。

圖2

通過對(duì)#1機(jī)組主蒸汽管道原始安裝支吊架冷、熱態(tài)設(shè)計(jì)位移值的對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)，從#5雙拉桿彈簧吊架至#14雙拉桿彈簧吊架共10個(gè)支吊架在X、Y和Z方向均出現(xiàn)較大的熱冷態(tài)位移差，反映了機(jī)組啟停過程中主蒸汽管存在較大的位移變化。

通過對(duì)#1爐主蒸汽管道支吊架進(jìn)行冷態(tài)發(fā)現(xiàn)，#3雙拉桿剛性吊架存在斜度過大的現(xiàn)象，偏斜角度大于5°，#7雙拉桿恒力吊架指針指示接近極限位置，反映了#1機(jī)組主蒸汽管系有明顯下沉現(xiàn)象。

查閱#1機(jī)組2000年至2016年5月啟停臺(tái)賬，形成表2。

表2 #1機(jī)組年啟停次數(shù)表

從表2可以反映了#1機(jī)組啟停次數(shù)相當(dāng)頻繁。

通過對(duì)#1機(jī)組主蒸汽#9焊縫歷次金屬技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)、主蒸汽管系支吊架的檢查以及#1機(jī)組啟停次數(shù)資料的收集，初步可以確定#1機(jī)組主蒸汽管道#9焊縫裂紋產(chǎn)生原因?yàn)椋?1機(jī)組主蒸汽管道支吊架存在偏斜、吊架指針指示接近極限位置的現(xiàn)象，整條管系下沉明顯，管系支吊架的失效，管系結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致管系的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，#9焊縫剛好位于整條管系Y、Z方向限位點(diǎn)下方的第一條焊縫，導(dǎo)致該焊縫在管系中處于應(yīng)力集中部位，在機(jī)組頻繁啟停過程中，該焊縫存在較大的應(yīng)力集中，金屬材料內(nèi)部缺陷逐漸長大，最終發(fā)展成#9焊縫超標(biāo)缺陷。

3 裂紋處理

3.1 P22材質(zhì)焊接性能分析

合金鋼材質(zhì)ASTM-A335P22，發(fā)電廠高溫高壓管道材料。P22用于連接管道，P22與德國10CrMo910相當(dāng)，P22屬于ASTMSA335高溫用無縫鐵素體合金鋼管。

根據(jù)其化學(xué)成分含碳量小于0.15%，含Cr、Mo等合金較多，決定了其焊縫及熱影響區(qū)淬硬及冷裂傾向的焊接性能。加上管道管徑大管壁厚在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力會(huì)加大熱影響區(qū)冷裂傾向，使焊接性能較差，為此注意焊接過程中線能量的控制，避免大線能量的輸入。

另外當(dāng)焊縫中擴(kuò)散氫含量過高時(shí)，由于淬硬組織和擴(kuò)散氫作用常在焊縫中出現(xiàn)焊接冷裂紋，對(duì)此焊接時(shí)必須采用低氫型焊材加上適當(dāng)線能量和預(yù)熱、后熱等措施避免淬硬及焊接冷裂紋的發(fā)生。采用焊前預(yù)熱、焊后熱處理、多層多道、低氫焊材、小線能量、兩人對(duì)焊。

根據(jù)焊接規(guī)程選用與A335P22母材匹配的焊接材料，焊絲采用R40，規(guī)格 φ2.4mm，焊條采用 R407，φ3.2mm（蓋面）和 φ4.0mm（填充）兩種規(guī)格。

3.2 處理工序

（1）將主蒸汽管道#9焊縫后的#5雙拉桿彈簧吊架限位固定牢靠，并標(biāo)記原始支吊架彈簧位置；同時(shí)對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行固定，確保#9焊縫超標(biāo)缺陷處理過程中，管道不發(fā)生X、Y、Z方向移動(dòng)。

（2）利用環(huán)形管道切割機(jī)沿管道焊縫位置進(jìn)行切割，加工出U型坡口，先將焊縫切割至37.8mm深，使用表面無損檢測(cè)手段進(jìn)行缺陷1位置超標(biāo)缺陷的檢查，確認(rèn)超標(biāo)缺陷性質(zhì)。當(dāng)切割至缺陷1位置，肉眼可見該超標(biāo)缺陷形貌，呈長條形氣孔，將該缺陷繼續(xù)打磨至肉眼不可見時(shí)，使用磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)焊縫存在斷續(xù)裂紋，最終確定該焊縫超標(biāo)缺陷為裂紋，將缺陷1缺陷記錄完畢后，環(huán)向打磨機(jī)繼續(xù)挖至焊縫60mm深位置，處理缺陷2超標(biāo)缺陷，經(jīng)滲透探傷檢查發(fā)現(xiàn)，缺陷2為一體積型缺陷，且有一定的長度。

（3）確定缺陷2位置后，環(huán)向切割機(jī)繼續(xù)挖進(jìn)3mm，最終對(duì)#9焊縫進(jìn)行全面的超聲波檢查及表面無損探傷，確認(rèn)#9焊縫超標(biāo)缺陷徹底清除后，對(duì)坡口表面及管壁進(jìn)行清理，打磨光滑，坡口內(nèi)壁圓滑過渡，坡口邊緣20mm內(nèi)母材無重皮、毛刺及坡口無破損，露出金屬光澤。

（4）焊前采用柔性陶瓷電阻加熱器進(jìn)行預(yù)熱，熱電偶應(yīng)布置在加熱區(qū)以內(nèi)，并必須保證熱電偶的熱端與焊件接觸良好。同時(shí)，還應(yīng)使用紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坡口處的溫度。預(yù)熱溫度200～300℃，升溫速率為75℃/h。焊接時(shí)確保層間溫度不低于200℃，且不高于300℃，加熱寬度不得小于335mm，布置兩只熱電偶。

（5）開始焊接采用 R407，φ3.2mm 焊條焊接，電流 80～130A，直流反接，電弧電壓20～25V，焊接速度150～180mm/min，焊一層；接下來焊接采用采用R407，φ4.0mm焊條填充焊接，電流150～180A，直流反接，電弧電壓25～30V，焊接速度180～220mm/min，將坡口填充完畢，預(yù)留蓋面焊；蓋面采用R407，φ3.2mm焊條焊接，電流80～130A，直流反接，電弧電壓20～25V，焊接速度150～180mm/min；焊接時(shí)焊條不擺動(dòng)、每層焊道的厚度不大于焊條直徑，焊縫層間清理、缺陷處理均采用機(jī)械打磨，徹底清理焊渣及飛濺，每層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開10～15mm，同時(shí)應(yīng)盡量使焊道平滑過渡，便于清渣和避免漏焊，為減少焊接變形和接頭缺陷，采取兩人對(duì)稱焊，兩人不得在同一處收頭，填充蓋面時(shí)焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡、收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好。

（6）焊接過程中，金屬技術(shù)監(jiān)督人員或焊接技術(shù)人員應(yīng)旁站，全過程對(duì)焊接過程進(jìn)行管控，監(jiān)督焊口作業(yè)人員嚴(yán)格按技術(shù)方案及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求操作，發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)整改。

（7）焊接完成后應(yīng)立即進(jìn)行焊后熱處理工作，熱處理溫度：720～750℃，恒溫時(shí)間：4h；升降溫速度：≤75℃/h，當(dāng)降溫速度過慢時(shí)，可適當(dāng)減少保溫棉，溫度降至300℃以下時(shí)，可不控制。布置至少2只熱電偶，1只布置在焊縫中心，其他布置在距焊縫50mm范圍內(nèi)。

（8）熱處理完畢，對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)和表面無損檢測(cè)，焊縫硬度檢測(cè)布氏硬度值不得大于母材100HBW且不得大于300HBW。焊后檢查發(fā)現(xiàn)，#9焊縫超聲波檢查合格，焊縫硬度及母材硬度均在合格范圍。

4 總結(jié)

（1）通過對(duì)#1機(jī)組主蒸汽管道#9焊縫超標(biāo)缺陷產(chǎn)生的原因分析以及超標(biāo)缺陷的定性、處理，反映了金屬技術(shù)監(jiān)督工作的重要性，通過開展金屬技術(shù)監(jiān)督工作，有效地提高火力發(fā)電廠重要設(shè)備、承壓部件的安全可靠性，防止發(fā)生重要設(shè)備損壞及預(yù)防人身傷害事件。

（2）通過對(duì)#9焊縫超標(biāo)缺陷的原因分析可以看出，管道支吊架是保障管道安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，嚴(yán)格按照《火力發(fā)電廠汽水管道與支吊架維修導(dǎo)則》以及《防止電力生產(chǎn)事故二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》開展支吊架定期檢查，對(duì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到100000h的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道的支吊架應(yīng)進(jìn)行全面檢查和調(diào)整。

（3）此次#1機(jī)組#9焊縫超標(biāo)缺陷的處理過程嚴(yán)格按工藝要求和操作規(guī)范進(jìn)行，處理效果良好，運(yùn)行正常，在下次檢修時(shí)，針對(duì)性地對(duì)該焊口進(jìn)行復(fù)查，以確保修后質(zhì)量。

TG40

A

1004-7344（2016）27-0239-02

2016-9-14

趙 坤（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事金屬技術(shù)監(jiān)督等工作。