1、科 學 技 術 報 告中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析報告電力科學研究院二一六年七月二十八日密級：普通商秘質量記錄號：QGL.LJDKJ022012 編號：2016001項目名稱：中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析負責單位：某省電力科學研究院有限公司委托單位：中電投某熱電公司項目負責人：主要參加人員：編 寫：初審：審定：批 準：摘要中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫，多次出現裂紋，分析的原因為：應力的疊加，再熱裂紋的敏感性，部件結構的不利影響。關鍵詞：焊縫裂紋應力目錄1前言12設備簡介13無損探傷1

2、4光譜分析25理化檢驗36綜合分析47結論與建議8中電投某熱電公司4號鍋爐后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫裂紋分析1前言2014年10月11日，中電投某熱電公司4號鍋爐運行中，發生后屏過熱器聯箱乙側出口三通與彎頭對接焊口開裂事故。2015年7月5日，某省電力科學研究院有限公司金屬所，首次對某熱電廠4號鍋爐進行內部定期檢驗，發現后屏過熱器出口聯箱甲側、乙側三通與彎頭對接焊口存在危害性裂紋缺陷，該位置重新焊接后再次出現嚴重的裂紋缺陷，嚴重影響電廠安全運行。應中電投某熱電公司請求，某省電力科學研究院有限公司負責對焊口裂紋事故進行分析，確定導致焊口開裂的原因，并給出相應的事故處理意見。2設備簡介中

3、電投某熱電公司4號鍋爐型式為HG-1165/17.5-HM3 型，由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造， 2011年1月6日投產。最大連續蒸發量： 1165t/h，再熱蒸汽流量： 969.3 t/h，汽包壓力： 19.0Mpa，過熱器出口壓力： 17.5Mpa，溫度： 540，循環方式：單汽包自然循環一次中間再熱，燃燒方式及噴燃器布置方式：煤粉懸浮燃燒、四角切圓燃燒。后屏過熱器聯箱出口三通材質為12Cr1MoVG，規格為406×406×508mm。哈爾濱鍋爐廠生產的同種類型鍋爐共有210臺，后屏過熱器聯箱出口三通與彎頭對接焊口出現開裂的共有3臺，該位置的故障率為1.43%。201

4、2年，牡丹江第二發電廠8號鍋爐運行中后屏過熱器聯箱出口三通與彎頭對接焊口開裂，割開該位置的焊口，按照哈鍋的焊接工藝重新焊接后經檢驗合格，至今未發現問題。濱州電廠的鍋爐在基建過程發現后屏過熱器聯箱出口三通與彎頭對接焊口開裂，經返修處理后合格。3無損探傷2014年10月11日，中電投某熱電公司4號爐運行中，工作人員巡回檢查時發現異常，發現鍋爐頂部冒汽嚴重。停爐冷卻后，進入二次密封檢查，發現后屏過熱器聯箱乙側出口三通與彎頭對接焊口開裂，裂口很大，已經裂透；裂口沿焊縫周向分布，長度占周長的五分之四。某省電力科學研究院有限公司金屬所采用磁粉探傷、滲透探傷方法擴大檢查時發現，后屏過熱器聯箱甲側出口三通與彎

5、頭對接焊口也有裂紋，位置在彎頭的外弧側，但未裂透。在返修補焊的過程中，后屏過出口聯箱乙側出口三通與彎頭對接焊口補焊后出現裂紋缺陷，打磨46mm后裂紋消失。 甲側出口三通與彎頭對接焊口補焊后在爐前側半圈再次出現裂紋缺陷，重新挖補處理后合格。 2015年7月5日，某省電力科學研究院有限公司金屬所首次對某熱電廠4號鍋爐進行內部定期檢驗。無損探傷過程中，發現多處危脅電廠安全運行的危害性缺陷，其中：后屏過熱器出口聯箱乙側三通彎頭對接焊口存在裂紋缺陷，位置在焊口甲側，沿周向長約400mm，沿周向分布長達三分之一周長，且接近穿透；后屏過熱器出口聯箱甲側三通彎頭對接焊口存在裂紋缺陷，位置在焊口甲側，沿周向長約

6、200mm，沿周向分布達圓周的四分之一。將甲側、乙側兩個彎頭整體割下，重新焊接。彎頭與直管連接的兩個焊口檢驗后合格。但是彎頭與三通連接的兩個焊口重新焊接后再次出現裂紋；其中甲側焊口裂紋較淺，經打磨處理后合格，而乙側焊口裂紋深達50多毫米，必須重新挖補焊接。乙側焊口裂紋形貌見圖1。圖1 分隔屏夾屏管外表面裂紋形貌圖1 屏式過熱器出口聯箱乙側三通彎頭對接焊口裂紋形貌4光譜分析用x射線衍射直讀式金屬光譜分析儀分析三通、彎頭、焊縫的合金成分，通過多次測量求平均值，合金成分光譜分析結果見表1。鉻Cr、鉬Mo、釩V、錳Mn等合金成分符合國家標準GB53102008對12Cr1MoVG的要求。表1 光譜分析

7、平均結果鉻Cr(%)鉬Mo(%)釩V(%)錳Mn(%)銅Cu(%)鈦Ti(%)彎頭1.010.290.150.530.19三通1.050.260.160.450.17焊縫1.190.540.230.692.715理化檢驗在靠近焊縫熱影響區，分別對三通和彎頭做金相檢驗。拋光侵蝕后在光學金相顯微鏡下觀察，見圖2、圖3。金相組織均為鐵素體+珠光體，沒有金相組織偏析，晶界上有少量碳化物，珠光體為層片狀，形態清晰，珠光體球化等級為2級，金相組織正常。圖2彎頭的金相組織 放大200倍圖3三通的金相組織 放大200倍三通和彎頭的材質為12Cr1MoVG，硬度合格范圍是布氏硬度HB131197。三通和彎頭實測

8、硬度值在HB140153之間，合格。焊縫硬度HB210227，焊縫硬度合格。6綜合分析后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫在運行中和返修過程中，連續多次出現裂紋缺陷，開裂的程度相當嚴重，是機組安全運行的重大隱患。針對上述情況，以下從應力狀況、部件結構、焊接熱處理幾方面進行分析探討。6.1應力狀況應力是影響安全運行的關鍵因素。管道應力分為一次應力和二次應力。一次應力是指管道在內壓、自重和其它外載作用下所產生的應力；二次應力是指管道在熱脹、冷縮或其它位移受約束時產生的應力，這些應力的疊加，是生成裂紋的應力因素。一般情況下，導致開裂應力主要包括管系拘束應力、結構應力、焊接應力、機組起停、運行方式變化

9、產生的附加應力。要保證管道安全運行，管系結構和受力合理是必要條件。要求設計合理、安裝正確、運行使用得當。管系要有良好的補償能力，其熱膨脹不應受到“非法”的約束，管系不應有大幅度的低頻振動。在現場檢查后屏過熱器出口聯箱時發現，該處有四根水冷壁上集箱引出管支吊架殘缺不全，導致支吊架失效，使水冷壁上集箱引出管的部分重量壓在后屏過熱器至末級過熱器導管上。水平方向也發現有水冷壁上集箱引出管與后屏過熱器導管發生剛性接觸。圖4 水冷壁上集箱引出管壓在后屏過熱器出口聯箱導管上圖5 水冷壁上集箱引出管與后屏過熱器出口聯箱導管的水平剛性接觸后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫，正處在管道彎曲變化較大的應力集中部位

10、，是整個管路最薄弱的區域。在一定的外力作用下，此部位的焊縫容易開裂。圖6 后屏過熱器出口聯箱及導管示意圖后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫，除了承受內壓力所產生的應力外，負荷變化在材料內部產生溫差，承受嚴重的熱應力，還需承受來自連接導管的結構應力。連接導管總長度多，彎弧變化大，連接管道本身在水平方向和垂直方向也有熱膨脹，因此在三通與彎頭對接焊縫根部產生較大的彎矩作用。由于此位置水冷壁上集箱引出管未安裝支吊架，水冷壁上集箱引出管的部分重量壓在后屏過熱器至末級過熱器導管上，這會帶來三方面的不利影響：1、后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫，不得不承受超出設計要求的附加的彎矩作用，提高了應力幅度；

11、2、鍋爐運行過程中，水冷壁上集箱引出管使后屏過熱器導管熱膨脹受到“非法”的約束，增加裂紋萌生的可能性；3、水冷壁上集箱引出管在運行中對后屏過熱器導管產生振動作用。裂紋產生于彎頭外弧側，彎頭內弧側焊口不產生裂紋，表明裂紋的產生與應力有高度相關性。管道支吊架在安裝和運行中存在受力不合理等問題時，將導致管系柔性不足，管道應力升高，使管道運行達不到原設計要求。失效的支吊架會導致管道載荷重新分布，部分管段危險性增大，隨著時間的推移，管段應力損傷加快，必然縮短其應有的壽命，嚴重影響機組的安全運行，因此應對相關位置支吊架進行全面檢驗與調整，確保運行時熱膨脹位移不受阻。綜合以上分析，多種應力作用在應力集中較大

12、的焊縫處，造成應力疊加。由于疊加的組合應力值過高，導致了焊縫在運行過程中產生裂紋。疊加的組合應力過高，是產生裂紋的主因。6.2部件結構三通與彎頭連接處脖頸較短，壁厚過渡明顯。三通與彎頭之間沒有過度段，三通的厚度較彎頭大。彎頭公稱厚度75mm，三通壁厚90mm，兩種均為大厚壁部件且壁厚相差較大。三通的下部連接眾多的小徑管。該結構應力集中較大。這種復雜結構保證不了熱量的均勻釋放，導致溫度梯度大，由于壁厚差別較大，在現場施工的焊后熱處理時難以保證溫度均勻，從而產生較大的熱應力。因此，該種結構的三通焊口最佳的熱處理方法是爐內處理，而不應現場處理。三通與彎頭的復雜結構增大了現場檢修難度，難以對焊縫內部進

13、行超聲波探傷，焊縫的焊接質量得不到保證。6.3焊接熱處理在挖補修復焊接過程中，后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭對接焊縫，在焊后熱處理中產生的裂紋位于焊縫熔合線附近的粗晶區中，發現的裂紋具有再熱裂紋特征。再熱裂紋是焊后焊件在一定溫度范圍內再次加熱（消除應力熱處理或其它加熱過程）而產生的裂紋。再熱裂紋是由晶界滑移導致微裂形成而發生和擴展的。即在焊后熱處理過程中，殘余應力松馳時，粗晶區應力集中處的某些晶界塑性變形量超過了該處的塑性變形能力，當應力集中部位晶界局部的實際塑性變形大于該處產生裂紋的臨界變形能力時，晶界的結合力遭到破壞而產生空洞，就形成再熱裂紋。實際塑性變形與焊接接頭的拘束度、殘余應力的大小以

14、及晶粒的大小有關。鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素會促使形成再熱裂紋，如珠光體耐熱鋼中的V元素，會使裂紋敏感性顯著增加；12Cr1MoVG含有一定量的沉淀強化元素，該材料具有一定的再熱裂紋敏感性。不同的鋼種存在不同的易產生再熱裂紋的敏感溫度范圍。因此，在制定焊后熱處理工藝時，應盡量減少焊件在敏感溫度范圍內的停留時間。再熱裂紋的產生存在一個敏感的溫度區，一般低合金鋼的再熱裂紋敏感溫度區間為在500700，600左右最為敏感。12Cr1MoVG鋼長期用作小管和中厚壁管材料，對再熱裂紋不敏感。近年來用于大厚壁管子、管件后，同類型的三通多次發現類似的缺陷，反映出該鋼種在制作大厚壁管子、管件時再熱裂

15、紋的敏感性增加。三通和彎頭是鍛件，材料的塑性差，焊接時產生裂紋的幾率大增。主要工藝要點如下：1、采用機械方法去除舊焊縫，防止去除舊焊縫的過程中產生過熱組織，影響隨后的焊接工作；2、再熱裂紋總是出現在拘束應力或應力集中的部位，焊接應力越大越易產生，因此組裝珠光體耐熱鋼時要避免強力組裝，以減少組裝應力，每層焊道進行錘擊消應力； 3、后屏過熱器出口聯箱三通是大厚壁異形構件，在熱處理的過程中必須考慮構件整體受熱的均勻性，合理布置加熱器，防止熱處理后產生溫差附加應力。綜合考慮加熱和散熱條件，導熱性差的焊件，形狀復雜、厚度比相差懸殊的焊件，厚度很大的焊件，宜采用較低的升溫速度，否則也可能誘發焊件開裂；4、

16、為防止產生再熱裂紋，必須采用較高的預熱溫度。焊前預熱及層間保溫要保證整個構件受熱的均勻；5、大的焊接線能量使過熱區的晶粒更加粗大，晶界結合力更加脆弱，為防止晶粒嚴重長大增加再熱裂紋的敏感性，應選用較小的焊接線能量；6、熱處理時應注意溫度測點焊接是否牢固，加熱器與三通、管接頭之間貼合是否緊密，綁扎是否牢固，保溫層覆蓋厚度與范圍，線的連接是否可靠等，并密切監督整個過程。熱處理后待構件完全冷卻，對需檢測區域打磨干凈，顯露出金屬光澤，進行表面探傷，條件許可做超聲波檢測。加強焊后的無損探傷，以確定是否具有裂紋等危害性缺陷的存在，如果存在缺陷必須消除。7結論與建議通過上述分析，可以得出以下結論：1、后屏過

17、熱器出口聯箱三通焊接裂紋是多種因素綜合作用產生的； 2、外加的結構應力，焊接的熱應力、拘束應力構成焊接接頭金屬開裂的力學條件。疊加的組合應力過高，是運行中產生裂紋的主因；3、后屏過熱器出口聯箱三通與彎頭焊接結構的約束大，結構不連續，無損檢驗難以保證焊接質量，很難發現焊縫的內部缺陷；4、三通、彎頭厚度大，形狀復雜，結構應力大，有較大的應力集中，熱處理不均勻，導致焊接過程中易產生再熱裂紋；針對以上結論，提出下列建議：1、消除三通與彎頭焊縫的裂紋，就必須從降低應力著手，優化結構應力。及時處理失效的支吊架，下次檢修時，對相關部位的支吊架進行全面的檢查調整；2、焊接修復過程中，防止產生再熱裂紋。通過減少焊接線能量、控制每層焊肉厚度和層間溫度等措施，減少粗晶區的厚度，另外通過層間錘擊等手段減少焊接殘余應力。在焊后熱處理過程中，采用合理的加熱器布置和嚴格溫度控制，避免焊件在敏感溫度區長時間停留；3、增加對該結構三通焊縫的無損檢測頻次，每次停爐必做探傷檢驗，及早發現運行過程中產生的裂紋；4、在三通附近加裝防漏泄監測點，監督運行；5、4號爐在以后的運行中，如果該部位再次出現嚴重裂紋，應考慮優化結構設計，從改變結構入手，盡可能減少結構應力；6、耐熱鋼同一位置上的挖補次數不應超過兩次，