超超界锅炉异种钢取样管开裂原因分析及优化措施Word格式.docx
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TK265文献标志码：
B文章编号:
超超临界锅炉发电厂高温高压蒸汽管道普遍采用P91材质，P91材质和不锈钢异种钢焊接裂纹影响机组的安全运行，对P91管道上的取样管管座焊缝裂纹进行原因分析及改型处理，消除异种钢焊缝裂纹的安全隐患，减少机组非计划停运次数。
火力发电厂P91取样管换型
1引言
火力电厂超超临界主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道蒸汽取样管角焊缝检验发现裂纹缺陷，存在裂纹缺陷的取样管由SA182F91马氏体耐热钢和1Cr18Ni9Ti奥氏体耐热钢焊接而成。
火电厂异种钢焊接接头因其低塑性早期开裂失效问题的存在，而受材料经济性、高温性能、高温氧化性能、导热性能的影响，异种钢接头难以避免，所以此类接头始终是耐热钢焊接领域研究的重点。
在超临界、超超临界锅炉中，采用异种钢结构的高温蒸汽取样管近年来已出现了多起开裂或泄露
案例报道，多认为该裂纹的产生于异种钢结构有关，但关于其开裂原因及其根治措施还存在争议。
为此，开展超临界、超超临界锅炉异种钢取样管裂纹的形成原因，提出预防改进措施，对提高同类机组的运行安全性具有重要的参考意义。
2开裂水冷壁管基本情况
存在裂纹缺陷的锅炉为600MW超超临界压力直流炉，材质均为SA335P91，存在裂纹缺陷的取样管结构如图1所示。
从图1可以看出，现场高温蒸汽取样管由主蒸汽管道、取样管接管座、管接头、取样管套管四部分组成，接管座通过与主管道为马氏体耐热钢之间的同种钢角焊缝连接，管接头与套管之间为奥氏体耐热钢之间的同种钢连接，管接头与接管座之间为奥氏体耐热钢与马氏体耐热钢之间的异种钢焊接接头，管接头上部留有预留接口，与炉外管进行连接。
目前，所发现的裂纹基本位于取样管异种钢角焊缝的上熔合线附近、
图1高温蒸汽取样管结构示意图
3检验情况
3.1宏观检查
经宏观检查，存在裂纹缺陷的蒸汽取样管管接头呈“馒头型”，管接头直径约60mm，取样管接管座高度较小，与角焊缝几乎熔接成为了一个整体，高约15mm；
管接头与炉外接管的连接部分规格为Φ17×
3mm，如图2所示。
宏观检查未发现角焊缝或接管座出现明显的塑性变形，也不能看到宏观裂纹。
3.2表面检测
渗透表面检测结果表明，所发现主蒸汽管道蒸汽取样管角焊缝附近存在不同开裂程度的裂纹缺陷，裂纹均分布在角焊缝处或上熔合线附近、沿环向分布，裂纹长度10mm~1/4圈，部分裂纹深度已接近贯穿整个壁厚。
裂纹形貌的典型检测结果照片如图3所示。
图2典型的角焊缝裂纹形貌照片
3.3硬度检验
经硬度检验，该锅炉存在裂纹缺陷的P91钢蒸汽管道母材硬度检验结果为
190～210HB，硬度检验结果正常（原角焊缝尺寸较小，无法进行硬度检验）。
3.4光谱检测
经光谱检测，发生开裂的角焊缝、管接头均为1Cr18Ni9Ti奥氏体耐热钢，管接头与主蒸汽管道之间的角焊缝焊接材料为Inconel82（ERNiCr-3）型焊材，不存在材质错用现象。
4缺陷形成主要原因
上述的检查结果都表明，发生大范围开裂的15CrMoV钢角焊缝均发生在离地间隙较小的炉前、炉左和炉右侧集箱，且角焊缝下部小距离即有鳍片连接，导致炉顶与集箱之间的水冷壁管刚性拘束较大。
机组运行过程中，集箱在高温作用下，向两端进行自由膨胀，而水冷壁管受鳍片、炉顶的刚性约束，无法进行跟随膨胀，在角焊缝处形成较大的应力，从而使集箱两端的水冷壁管造成倾斜，形成倒“八”字形变形；
此外，原角焊缝与水冷壁之间基本为直角连接，存在明显的结构突变，使角焊缝下熔合线处形成较大的应力集中，在集箱膨胀的作用下，最终在焊缝下
熔合线处形成裂纹缺陷。
所以，该电厂锅炉水冷壁上集箱接管座角焊缝裂纹是与水冷壁集箱结构和焊缝形式不合理有关的低塑性开裂。
2、原因分析
2.1结构分析
不锈钢取样管是个焊接组合件，插入管道后属于个悬吊形式，在机组运行期间单支点受力，受到频繁振动，增加额外应力，取样管组合件的焊缝长时间运行后易产生疲劳裂纹，联系厂家说是已改型，将取样管组合件作为一个整锻件，但材料仍为不锈钢材质，结构形式在安装中仍为悬吊形式。
现场安装好后的情况见图2，异种钢焊缝和P91同材质焊缝距离很近，几乎见不到F91管座部分，焊缝应力集中过大，部分电厂还发现有取样管断裂找不到的情况。
2.2异种钢焊缝分析
机组基建期F91材质和不锈钢的异种钢焊接均采用镍基焊材，可免做预热和热处理，但是#2炉的取样管异种钢焊缝光谱分析还是一般不锈钢焊材，问题更大。
这一点说明取样管的安装是基建期安装单位施工的，现在的工艺要求这种异种钢焊缝要严格按照P91材质的焊接工艺执行。
3改型选择
3.1结构形式的改型，考虑P91主管上焊接管座尺寸短，需加长管座到一定尺寸
3.2材质的优化，仍采用F91材质，取样管由不锈钢材质更换为F91材质，管座和母管焊缝一级管座和取样管焊缝均为P91材质的同种钢焊缝，取样管接头部位为F91和不锈钢异种钢焊缝，管子规格为Φ17×
3
4、现场实施
将原管座焊缝切除拿出取样管，原开孔部位进行扩孔，满足新改型取样管的安装，将加工好的F91管座和新改型的取样管放入，调整好方向，进行电加热预
热和施焊，按照P91材质的焊接工艺执行，控制焊接层间温度，热处理结束24
小时后进行外观、表面探伤和硬度、金相复查，符合标准要求。
5裂纹缺陷的优化焊接修复
5.1缺陷的修复方法
受管系空间限制，项目最终采用机械打磨的方式对321根存在裂纹缺陷的集箱角焊缝进行现场磨削消除和焊接修复处理，采用磁粉检测或渗透检测的方法对角焊缝裂纹消除情况进行同步跟踪。
项目所采用的焊接修复工艺如表1所示，与常规15CrMo钢的修复工艺相比，本项目的优化改进之处在于：
采用优化焊缝形式、实施真实有效的焊后热处理、改善鳍片结构。
表1水冷壁集箱角焊缝裂纹缺陷修复采用的工艺参数
填充金属
焊
焊 接 焊 预 层 焊
接
层接方 规
格
法 型
数
号
（mm）
极
接电流
性
/A
接速度
电
-
/mm.min
压
1
/U
热温度
℃
间温 后热处
度℃ 理温度
1 G
~ TAW
其
ER55-B2
Φ
2.5
D 100
C+ ~110
0
100
～
~140
15
~150
200
~250
670
~680
他
5.2焊后热处理
焊后热处理是本项目项目实施的关键。
众所周知，常规的焊后热处理目的主要有两个：
一是改善焊缝的淬硬组织，提高焊缝的塑韧性，减少开裂倾向；
二是释放焊接接头的残余应力。
本文关于15CrMo钢水冷壁上集箱的裂纹原因的分析也表明，锅炉运行过程中会由于膨胀原因在角焊缝下熔合线处形成较大的拉应力，如果焊后热处理不能有效实施，外部膨胀引起的应力和焊接残余应力相叠加，加之焊接过程中对接头热影响区造成的淬硬组织，使接头极易造成再次开裂。
为此，项目的焊后热处理工艺控制要点包括：
（1）保证焊后热处理的真实温度温度达到预定范围。
项目从两个方面采取措施，保证集箱角焊缝的温度升至预定范围：
因集箱与水冷壁管规格相差悬殊，水冷壁管间隙窄、离地间隙小，常规加热器无法包覆，所以项目专门针对该集箱的结构，设计了专用加热器，保证大管、小管均可以完整包覆；
此外，项目将热电偶与部件之间采用冶金连接，保证温度的准确性。
（2）保证焊接接头的各个区域均达到工艺要求，不出现母材损伤问题。
集箱与水冷壁管规格差别较大，同等加热条件下，集箱、角焊缝、水冷壁管会存在极大的温差，致使角焊缝热处理不到位或焊缝附近的水冷壁管母材产生过回火软化。
本项目采用集箱、角焊缝、水冷壁管分区控温、独立监测的方式克服了温差问题的存在，一面保证角焊缝得到有效热处理，另一方面可以有效防止小管的过回火现象。
（3）采用分段处理，保证每个接头的热处理质量。
因存在裂纹缺陷的角焊缝较分散，所以采用分段热处理的方式进行现场实施，每段两侧的角焊缝与中间角焊缝也会有一定温差，所以项目采用了多通道温度监测，保证每炉的角焊缝均可以得到有效热处理。
图3典型的角焊缝焊后热处理过程照片
5.3焊缝修形
为减少角焊缝的应力集中，项目焊接、热处理完成后，对321根接管角焊缝均进行了形式修整，使焊缝与水冷壁管接管座母材平缓过渡。
焊缝优化前后的形式对照如图4、图5所示。
图4结构突变消除后的焊缝设计形式对比照片
（a）焊缝优化前（b）焊缝优化后图5焊缝形式优化前后的对比照片
5.4鳍片结构改善
为有效降低应力集中对日后锅炉安全运行带来的隐患，在焊缝优化后，将接管座下部鳍片进行切割，增加水冷壁管的变形空间。
4修复后焊缝质量检验
焊接修复完成后的检验结果表明，所修复后的321个集箱角焊缝表面未见缺陷；
热处理后的焊缝硬度基本分布在150~180HB之间，符合DL/T869-2012标准要求；
角焊缝修复区域的焊缝为柱状铁素体+珠光体组织，母材金相组织为等轴铁素体+珠光体，焊缝与母材熔合良好，金相组织正常，如图6所示。
（a）焊缝区（b）母材区（b）熔合区图6焊接接头修复后的光学金相组织照片
5结论
（1）综合分析认为，该电厂锅炉水冷壁上集箱接管座角焊缝裂纹是与水冷壁集箱结构和焊缝形式不合理有关的低塑性开裂。
（2）基于原因分析和现场实际，项目通过焊缝形式优化、焊后热处理的精确实施、鳍片结构的改善，对角焊缝裂纹进行了成功修复，有效降低缺陷再次发生的概率。
（3）建议在条件允许的情况下，将该集箱结构改为分段式或提升集箱高度、增加接管座连接管长度，以彻底消除该缺陷。
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