鄭文凱，李 偉

(中國(guó)石油化工股份有限公司茂名石化分公司，廣東 茂名 525000)

CFB鍋爐汽包是自備電站熱力設(shè)備汽水系統(tǒng)最重要的組成部分【1】，汽包內(nèi)部構(gòu)件和流程復(fù)雜。由于鍋筒壁厚、 剛性大，在高壓力和高溫度梯度場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力， 工作條件惡劣。在鍋爐機(jī)組非正常啟停過程中各項(xiàng)參數(shù)變化幅度大， 非計(jì)劃停車工況尤為劇烈, 此時(shí)汽包壓力、 溫度不斷交替變化， 加上其有數(shù)量較多的各種不同規(guī)格尺寸的管道接口(如上升管和下降管等), 以及蓄熱能力和自重等因素， 都導(dǎo)致其機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力更加復(fù)雜【2】。以上因素會(huì)使汽包產(chǎn)生裂紋, 縮減汽包使用壽命。在2016年 6月停爐檢修時(shí)對(duì)汽包內(nèi)部進(jìn)行檢驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)了汽包產(chǎn)生的裂紋缺陷， 通過深入研究并制定嚴(yán)格的裂紋修復(fù)工藝方案， 消除了裂紋， 確保了機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 汽包缺陷問題描述

1.1 汽包及缺陷概況

某自備電站1號(hào)CFB鍋爐由某鍋爐公司制造，2009年5月投產(chǎn)。鍋爐型號(hào)為XX-9.81/410-M004，額定出力為410t/h，主蒸汽溫度為540 ℃，主蒸汽壓力為9.81 MPa，汽包設(shè)計(jì)壓力為12.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度為328 ℃。1號(hào)CFB鍋爐汽包結(jié)構(gòu)示意見圖1。汽包材質(zhì)為SA299鋼，規(guī)格為內(nèi)徑φ1 524 mm,壁厚85.3 mm，筒體長(zhǎng)11 582 mm,封頭允許最小壁厚為71.3 mm。

2016年6月，1號(hào)CFB鍋爐停爐檢修時(shí)對(duì)汽包進(jìn)行內(nèi)檢，經(jīng)磁粉檢測(cè)(MT)發(fā)現(xiàn)，汽包南側(cè)封頭與筒體間的環(huán)焊縫處有2條裂紋，位置在環(huán)焊縫靠封頭側(cè)，其中1條長(zhǎng)度為22 mm，另1條長(zhǎng)度為14 mm；2條裂紋位置接近，沿焊縫呈縱向延伸，如圖2和圖3所示。

圖2 汽包裂紋

圖3 汽包裂紋方位

1.2 裂紋缺陷形成原因分析

1.2.1 制造缺陷分析

裂紋是在檢修過程中對(duì)汽包內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，位置處于汽包內(nèi)部，正常運(yùn)行時(shí)不能有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。同時(shí)，汽包材質(zhì)為SA299中碳錳硅鋼，焊接過程中容易出現(xiàn)淬硬和冷裂問題，因此有可能該缺陷在汽包制造過程中已經(jīng)產(chǎn)生，已在焊縫內(nèi)部形成了隱性裂紋。SA299鋼化學(xué)成分見表1。1號(hào)CFB鍋爐自投產(chǎn)以來，已連續(xù)運(yùn)行超過7年，不斷的啟停爐以及負(fù)荷變化加速了隱性裂紋的擴(kuò)展，使其逐漸擴(kuò)展至表面。

表1 SA299鋼化學(xué)成分 w,%

1.2.2 正常啟停和非停過程分析

汽包經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其裂紋部位材質(zhì)的碳化物球化，珠光體區(qū)域形態(tài)特征消失，球狀碳化物聚集在鐵素體的晶界上成為部分鏈狀組織，導(dǎo)致鋼的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度下降【2】。由于鍋爐運(yùn)行工況的變化和汽包水位測(cè)量監(jiān)控手段的局限，水位可能在汽水分界面范圍內(nèi)波動(dòng)，導(dǎo)致汽包表面出現(xiàn)冷熱交替變化，進(jìn)而形成較大的交變熱應(yīng)力，容易引起疲勞裂紋破壞【3】。在啟停爐過程中，水位由自動(dòng)控制切換至由操作人員手動(dòng)控制，但此過程中，由于床溫及水汽負(fù)荷變化劇烈， 汽包水位波動(dòng)大，其熱應(yīng)力變化也隨之產(chǎn)生大幅波動(dòng)，水位線處熱應(yīng)力最大。從操作歷史趨勢(shì)可以看到， 汽包水位的正?？刂品秶鸀?20～+20 mm， 但啟停爐時(shí)的實(shí)際水位波動(dòng)范圍超過-100～+100 mm，而水位控制的設(shè)定值為汽包中心線上方+15 mm，恰好是產(chǎn)生裂紋的區(qū)域。

1號(hào)CFB鍋爐投產(chǎn)以來，累計(jì)正常開停爐16次，非計(jì)劃停爐3次。其中某次，由于煉油廠區(qū)晃電，造成1號(hào)CFB鍋爐跳停，電力系統(tǒng)超過1 h才恢復(fù)送電。送電后重新快速啟動(dòng)1號(hào)CFB鍋爐，導(dǎo)致其汽包壓力、溫度和水位急劇變化，見圖4 和圖5。

圖4 第1次汽包壓力變化曲線

圖5 第1次汽包溫度變化曲線

5 h后，廠區(qū)再次出現(xiàn)晃電，造成1號(hào)CFB鍋爐再次跳停，因電力系統(tǒng)無法及時(shí)恢復(fù)，致使鍋爐汽包壓力、溫度和水位連續(xù)2次在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)劇烈變化，見圖6和圖7。這2次事故導(dǎo)致汽包壓力、溫度和水位突變，其應(yīng)力相應(yīng)出現(xiàn)頻繁變化，極有可能使應(yīng)力集中處(即現(xiàn)有裂紋處)產(chǎn)生裂紋缺陷【4】。

圖6 第2次汽包壓力變化曲線

2 汽包裂紋修復(fù)

2.1 修復(fù)前準(zhǔn)備工作

對(duì)可疑部位進(jìn)行磁粉(MT)及超聲波(UT)檢測(cè)，對(duì)存在裂紋部位進(jìn)行定位并用記號(hào)筆清晰標(biāo)注；對(duì)裂紋區(qū)母材進(jìn)行測(cè)厚，做好記錄，并用記號(hào)筆標(biāo)注于裂紋處；對(duì)裂紋區(qū)母材進(jìn)行硬度測(cè)試，并記錄數(shù)值，見表2；采用電加熱帶包扎裂紋區(qū)并覆上保溫棉，進(jìn)行350 ℃恒溫2 h消氫處理。

圖7 第2次汽包溫度變化曲線

表2 裂紋附近區(qū)域材質(zhì)數(shù)據(jù)

2.2 缺陷清除步驟

采用砂輪機(jī)對(duì)缺陷部位進(jìn)行物理清除并從缺陷中心開始打磨至與母材圓滑過渡。當(dāng)焊縫裂紋深度打磨達(dá)到5 mm時(shí)，對(duì)焊縫表面進(jìn)行著色檢查，發(fā)現(xiàn)依舊存在較長(zhǎng)裂紋，見圖8。繼續(xù)打磨并進(jìn)行表面(PT或MT)檢測(cè)，直至清除所有缺陷。清除結(jié)果應(yīng)得到鍋爐特檢院確認(rèn)。當(dāng)焊縫裂紋深度打磨達(dá)到12 mm時(shí)，對(duì)焊縫表面進(jìn)行著色檢查后發(fā)現(xiàn)裂紋消失。裂紋清除完成后，根據(jù)裂紋凹槽形狀將其修磨成U形坡口形式，并與周邊母材圓滑過渡，然后清除坡口周圍100 mm范圍內(nèi)所有可能存在的銹跡及容易產(chǎn)生氣體的附著物，使其露出金屬光澤，見圖9。

圖8 焊縫裂紋打磨深度5 mm

圖9 焊縫打磨深度12 mm

2.3 缺陷清除部位測(cè)厚

對(duì)缺陷清除部位周邊進(jìn)行測(cè)厚，測(cè)厚區(qū)域需包含封頭母材、筒體母材、焊縫及熱影響區(qū)。測(cè)厚數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 裂紋消除后厚度值

2.4 修復(fù)工序確定

依據(jù)裂紋深度差異確定是否補(bǔ)焊。依據(jù)測(cè)厚數(shù)據(jù)，缺陷清除后的厚度小于對(duì)應(yīng)位置設(shè)計(jì)要求的最小厚度時(shí)，需要補(bǔ)焊，并將需補(bǔ)焊處用記號(hào)筆清晰標(biāo)出。缺陷清除后的厚度大于設(shè)計(jì)要求時(shí)，無需補(bǔ)焊，但需將缺陷處打磨至與周邊母材圓滑過渡，坡度小于1∶4。原制造圖紙顯示：汽包筒體與封頭焊縫最小壁厚73.4 mm(見圖10)。從測(cè)厚的數(shù)據(jù)看出，將裂紋區(qū)打磨至見不到裂紋后，該處厚度只有63 mm，小于圖紙要求的最小厚度，需要補(bǔ)焊打磨的裂紋區(qū)。

圖10 汽包筒體與封頭處壁厚尺寸

2.4.1 焊前預(yù)熱

為防止母材和焊縫溫差太大，對(duì)需補(bǔ)焊部位150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度100～150 ℃。由于裂紋在汽包內(nèi)部，而現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境不宜放置電加熱帶，為便于施工操作，采用中號(hào)烤把的乙炔+氧氣中性火焰燃燒進(jìn)行緩慢加熱，人工采用測(cè)溫槍嚴(yán)密監(jiān)控加熱溫度。

2.4.2 補(bǔ)焊處理

根據(jù)修復(fù)措施和原制造廠提供的焊接工藝，編制汽包焊接修復(fù)工藝卡，并依據(jù)該卡進(jìn)行焊接(見表4)，焊接電流控制為140～170 A。補(bǔ)焊完成后立即采用電加熱帶進(jìn)行350 ℃恒溫2 h后熱處理并對(duì)焊縫進(jìn)行消氫，最后將補(bǔ)焊區(qū)域打磨至與母材圓滑過渡。

表4 焊接工藝卡

2.4.3 焊后熱處理

熱處理工藝依據(jù)原制造廠焊接工藝評(píng)定編制， 按照熱處理工藝卡(見表5)執(zhí)行。對(duì)筒體環(huán)縫處補(bǔ)焊的部位， 采取整圈包扎的方式進(jìn)行熱處理； 補(bǔ)焊部位布置2支熱電偶， 內(nèi)外各1支； 加熱寬度不小于140 mm， 保溫寬度不小于加熱寬度的1倍， 升溫速率55～75 ℃/h, 保溫溫度為605～635 ℃, 恒溫時(shí)間3 h， 降溫速率55～95 ℃/h。

表5 熱處理工藝卡

2.5 修復(fù)結(jié)果評(píng)定

熱處理后分別按NB/T 47013.3—2015和NB/T 47013.5—2015對(duì)原來缺陷部位進(jìn)行UT及PT檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。經(jīng)檢測(cè)，UT、PT結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,見圖11和圖12。

圖11 UT檢測(cè)結(jié)果

圖12 PT檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語

鍋爐在7年多的運(yùn)行周期中經(jīng)過啟停和變負(fù)荷運(yùn)行，其汽包長(zhǎng)期處于交變的熱應(yīng)力狀態(tài)，形成了低周疲勞裂紋【5】。汽包SA299鋼的裂紋修復(fù)經(jīng)嚴(yán)格的焊接修復(fù)、熱處理工藝，并通過UT及PT檢測(cè)評(píng)定，焊縫補(bǔ)焊區(qū)及熱影響區(qū)均再未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，汽包經(jīng)水壓試驗(yàn)合格、開汽投用后運(yùn)行正常。修復(fù)后運(yùn)行至今已有2年，再次對(duì)裂紋的補(bǔ)焊部位進(jìn)行MT和UT檢測(cè)，同時(shí)對(duì)記錄缺陷的部位進(jìn)行跟蹤檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，表明采用上述汽包裂紋修復(fù)工藝是切實(shí)可行的，可借鑒應(yīng)用。

研究還發(fā)現(xiàn), 汽包裂紋大多位于汽包中汽水分界面附近， 因此在鍋爐啟停和非停操作時(shí)， 需嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行, 使汽包的升溫和降溫速率保持在冷態(tài)工況小于28 ℃/h，熱態(tài)工況小于56 ℃/h，同時(shí)，控制汽包水位在-50 mm～+50 mm 范圍內(nèi)，上下壁溫差不超過50 ℃，汽包額定壓力波動(dòng)范圍小于0.5 MPa，可避免類似汽包裂紋情況出現(xiàn)。