馬 鳴，姜小哲，王 萍，梁寶琦

1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150046

2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046

0 前言

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展和節(jié)能環(huán)保指標(biāo)的提升，電站鍋爐技術(shù)逐漸邁向更大容量和更高參數(shù)的高效型超超臨界等級機組［1］，再熱器的溫度也隨之大幅提升，導(dǎo)致以集箱管接頭吊掛管屏的結(jié)構(gòu)不再適用，現(xiàn)已改為采用管屏與集箱分開吊掛的“支吊梁吊掛系統(tǒng)”（見圖1）實現(xiàn)受熱面管屏固定，即管屏通過密封盒、吊掛板、橫梁、過渡梁實現(xiàn)穿頂棚后的獨立吊掛和防止煙氣外漏作用，經(jīng)大量工程驗證后，確認(rèn)這種改進型結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果良好。

圖1 支吊梁吊掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagramof support beam suspension

某高效型超超臨界電站鍋爐機組的末級再熱器（以下簡稱“末再”）穿頂棚后采用如圖2所示的支吊梁吊掛系統(tǒng)、管屏穿過頂棚管的密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)鍋爐在安裝后進行吹掃試驗時，發(fā)現(xiàn)臨近吊掛板附近個別不銹鋼承壓管件（材質(zhì)：SA-213TP310HCbN；規(guī)格：φ57 mm×5 mm）與不銹鋼密封套管（材質(zhì)：SA-213TP347H；規(guī)格：φ70 mm×5 mm）之間的角焊縫存在漏點，如圖3所示。經(jīng)全面滲透檢測，共發(fā)現(xiàn)7根承壓管件與套管的角焊縫存在不同程度的開裂，裂紋均分布在支吊架吊點附近的管件上，且位于承壓管一側(cè)的焊趾部位。

圖2 管屏端部穿頂棚的密封結(jié)構(gòu)Fig.2 Sealing structure of PANEL penetrating ceiling

圖3 承壓管件與套管焊縫開裂情況Fig.3 Crack of weld between pressure tube and sleeve tube

此處泄漏的危害有：（1）造成再熱器區(qū)域頂棚漏灰，頂棚管背面積灰而使其重量增加，長期運行可能會破壞頂棚管固定結(jié)構(gòu)，頂棚管局部下沉。（2）因積灰造成頂棚管重量增加會向相鄰吊掛面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致頂棚吊掛結(jié)構(gòu)失效。頂棚管下沉太多，也會對該區(qū)域的爐內(nèi)交叉管屏產(chǎn)生安全隱患。（3）造成局部超溫破壞，使流經(jīng)承壓管件中的高溫高壓蒸汽發(fā)生泄漏，吹損臨近管路和吊掛梁結(jié)構(gòu)，造成更大的安全隱患甚至被迫停爐。

1 開裂原因分析

1.1 制造記錄追溯

此再熱器管屏制造流程是在制造廠內(nèi)先將單根管拼焊并彎制成半元件，再通過工裝（或夾具）將其固定后，采用AWS ENiCrFe-2，φ3.2 mm的鎳基焊條將承壓管與套管焊接固定，最后通過密封盒拼焊方式將半元件合攏拼裝成管屏組件。此焊接工藝自SA-213TP310HCbN小口徑不銹鋼管材料引進后應(yīng)用至今，經(jīng)嚴(yán)格工藝評定驗證及大量工程實踐證明，選用鎳基材料施焊的焊縫性能穩(wěn)定可靠［2］。其中此承壓管與套管密封角焊縫采用SMAW方式，由兩道半圓周正反方向的上坡焊單道焊道閉合形成，通過廠內(nèi)制造記錄追溯，開裂管件焊縫在制造流程中無返修和材料用錯等異常情況，其角焊縫尺寸、無損檢測、水壓及通球檢測過程均合格。

1.2 殘樣管件的理化性能檢驗

1.2.1 外觀和剖面宏觀檢查

對殘樣管件外觀檢查時，確認(rèn)角焊縫厚度滿足圖紙要求，但焊道外觀成形存在焊趾不飽滿、焊道搭接處寬窄不均的情況（見圖3）；剖面檢查時，可見不銹鋼承壓管件內(nèi)壁表面光滑，無焊瘤和熔合不良等缺陷［3］，角焊縫背面熱影響區(qū)輪廓清晰，開裂部位無銹蝕、無油漆滲入痕跡（見圖4）。

圖4 剖面宏觀情況Fig.4 Macro inspection of section

通過觀察裂紋形貌和分布位置，發(fā)現(xiàn)裂紋位于承壓管側(cè)焊道的不規(guī)則焊趾上，并未延伸至兩條焊道的搭接處，其中外壁裂縫長度約59 mm，內(nèi)壁裂縫長度38 mm，裂紋中間及尖端的斷面上有金屬光澤，斷面未發(fā)現(xiàn)氧化和油漆滲入，斷面可見裂紋方向由外壁向內(nèi)壁擴展紋路，弧長逐漸變短。由此可判斷裂紋應(yīng)為油漆后產(chǎn)生，且裂紋應(yīng)由承壓管焊趾處萌生并由外壁向內(nèi)壁擴展。

1.2.2 材料成分及性能測試

按ASME標(biāo)準(zhǔn)對殘樣管母材進行材料成分和性能測試，結(jié)果分別如表1、表2所示，確認(rèn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)；并對焊縫進行化學(xué)成分分析，結(jié)果與AWS ENiCrFe-2焊條的熔敷金屬主要化學(xué)成分一致，亦排除錯用焊材的可能性。

表1 殘樣管母材及焊縫材料成分合格指標(biāo)及實測值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Qualified index and measured value of base metal and weld material composition of test tube（wt.%）

表2 常溫力學(xué)性能指標(biāo)及實測值Table 2 Mechanical properties and measured values at room temperature of test tube

1.2.3 金相分析及硬度檢測

對殘樣管分別制取母材金相試樣，并對試樣進行磨制、拋光、特制化學(xué)溶液浸蝕后，觀察金相顯微組織有無異常情況［4］，并進行截面維氏硬度測定（見圖5）。

圖5 試件金相（左）及硬度檢測（右）Fig.5 Metallographic test（left）and hardness test（right）

經(jīng)檢查確認(rèn)承壓管母材組織為奧氏體，晶粒度等級4級，套管母材組織為奧氏體，晶粒度等級6級，均符合ASME標(biāo)準(zhǔn)（見圖6），其焊縫、熱影響區(qū)及母材截面硬度值處于正常范圍（見表3），未出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象［5］。

圖6 承壓管母材（左）和套管母材（右）金相組織Fig.6 Metallographic structure of base metal of pressure tube（left）and sleeve（right）

表3 焊接接頭剖面硬度檢測指標(biāo)及實測值Table 3 Hardness test index and measured value of section of welded joint

經(jīng)對焊接接頭不同部位進行金相分析（見圖5、7），確認(rèn)承壓管件和套管的母材、熱影響區(qū)組織均為奧氏體，焊縫組織為奧氏體+少量鐵素體，符合焊接接頭金相組織特征，且焊縫及熔合線區(qū)域未發(fā)現(xiàn)異常沉淀物及其他焊接缺陷，但同時發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)斷面邊緣多呈破碎晶粒，可知其斷裂方式為穿晶斷裂，而此種斷裂通常與焊接應(yīng)力或外力載荷過大有關(guān)。另外，通過微觀金相發(fā)現(xiàn)裂紋起裂于管子外壁與焊縫焊趾的交接處，此處存在結(jié)構(gòu)不連續(xù)易成為應(yīng)力集中區(qū)域而容易開裂，與此前宏觀檢查判斷起裂點分析結(jié)果吻合。經(jīng)掃描電鏡斷口分析為準(zhǔn)解理斷口（見圖8），未發(fā)生晶界弱化，且斷口上未見S、Cl等腐蝕介質(zhì)，排除了腐蝕開裂的可能性［6］。

圖7 對承壓管與套管焊接接頭不同位置的金相檢測（取樣位置詳見圖5）Fig.7 Metallographic test of different positions of welded joint of pressure tube and sleeve（location based on Fig.5）

圖8 掃描電鏡斷口分析情況Fig.8 SEM fracture analysis

通過上述一系列科學(xué)理化性能檢驗結(jié)果，判斷裂紋應(yīng)為油漆之后產(chǎn)生，且由承壓管與套管角焊縫的焊趾處出現(xiàn)并由外壁向內(nèi)壁擴展，裂縫最大位置處于焊趾成形不均勻處，此部位為應(yīng)力集中區(qū)域，推測此部位可能是瞬時承受了較大的外載荷造成開裂，與外觀檢測結(jié)果吻合，而此種原因造成的由外向內(nèi)的焊縫開裂情況，通過表面滲透檢測則更為便捷和妥當(dāng)。目前現(xiàn)場已完成損壞管的更換過程，重新施焊并經(jīng)無損檢測合格，產(chǎn)品已連續(xù)運行多年。

2 質(zhì)量控制要點

2.1 承壓管與套管密封焊接操作要點

（1）正式焊前需先將套管與承壓管在12點位置進行SMAW點焊固定，注意電弧停留時間1～2 s，焊點尺寸為5～10 mm。點焊完成后，應(yīng)保證套管與管子之間的周向間隙均勻一致。

（2）套管角焊縫焊接時，在套管上采用直擊法在3點位置起弧沿逆時針焊接至12點位置熄弧或在9點位置起弧沿順時針焊接至12點位置熄弧，焊接過程中盡量保持運條角度控制在30°～40°（見圖9），電弧指向靠近套管一側(cè)并保持短弧焊接，焊接過程中允許采用斷弧操作方法進行焊接，以保證焊道質(zhì)量。注意焊道在12點位置附近搭接，搭接長度為5～10 mm；當(dāng)承壓管與套管上半圓周完成焊接后，將管屏翻面后按上述要求完成下半圓周的焊接（見圖10）。

圖9 SMAW焊接套管的操作技巧Fig.9 SMAW operating skills of sleeve

圖10 套管焊接操作示意Fig.10 Schematic diagram of welding operation of sleeve

（3）收弧時，填弧坑次數(shù)不少于4次，避免產(chǎn)生弧坑裂紋，若發(fā)現(xiàn)弧坑裂紋，應(yīng)立即采用砂輪打磨清除，再采用PT檢查確認(rèn)裂紋是否完全清除；另外，需保證焊道尺寸滿足設(shè)計要求，外觀成形均勻，特別是注意搭接位置避免過厚或過薄，焊趾部位應(yīng)與母材平滑過渡，防止出現(xiàn)咬邊和凸凹不均。

2.2 管屏運輸及安裝時的注意事項

再熱器部件設(shè)計用不銹鋼承壓管件壁厚通常≤5 mm，且承壓管件與套管的焊縫僅作為密封煙氣和傳熱作用，應(yīng)盡可能避免此焊縫承受較大外力載荷而造成破壞。當(dāng)管屏翻身、運輸時，建議對此部位進行懸空處理；當(dāng)起吊和安裝時，宜采用可拆解框架或籠型工裝固定管屏后，再整體吊裝框架或工裝更合適；另外，當(dāng)管屏橫移就位時，建議采用吊帶或鏈條捆扎方式代替吊鉤鉤掛，并置于密封盒外側(cè)或盡可能遠離套管密封焊縫位置，緩慢拖動管屏就位。

3 結(jié)論

（1）通過對殘樣管進行理化性能檢驗分析，初步確定此再熱器套管焊縫裂紋為油漆之后產(chǎn)生，可能原因是此部位瞬時承受了較大的外載荷造成開裂。

（2）起裂點位于承壓管與套管之間的角焊縫的焊趾處，并由外壁向內(nèi)壁擴展；開裂最大處位于焊趾成形不均勻處，屬于結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域，為裂紋萌生和擴展創(chuàng)造了必要條件。

（3）為避免后續(xù)產(chǎn)生類似問題，規(guī)定了制造廠內(nèi)管屏套管焊接要點，同時對運輸和現(xiàn)場安裝過程提出相關(guān)注意事項，為后續(xù)制造同類相似產(chǎn)品提供借鑒參考。