12Cr1MoVG大口径厚壁管三通焊口裂纹产生原因分析与处理.doc

文 章 编 号 ：1002025X(2011)S0-0014-0412Cr1MoVG 大口径厚壁管三通焊口裂 纹产生原因分析与处理 傅求华， 齐亮（安徽电力建设第一工程公司 ， 安 徽 合 肥 230088）摘 要 ： 针对某电厂锅炉末级过热器出口三通焊口裂纹处理问题 ， 分 析 了 12Cr1MoVG 大口径厚壁管三通焊口焊接和热处理技术难点 ， 分析了裂纹产生原因 ， 制定了具有针对性的焊接和热处理工艺措施 ， 严格执行焊接和热处理工艺措施 ， 加强过程监控并及时调整工艺措施 ，成功完成了三通焊口返工处理 ， 获得了满意的应用效果 。关 键 词 ： 12Cr1MoVG； 大 口 径 厚 壁 管 ； 三 通 ； 裂 纹中 图 分 类 号 ： TG402文 献 标 志 码 ： BTIGR31 焊 丝 ， 焊条电弧焊采用 E5515B2V （R317） 焊 条 。手工氩弧焊打底焊接时预热温度为 200 ， 焊条电弧焊填充 0 引 言某工业园自备热电厂一期 2300 MW 机 组 工 程 锅 炉 为 上 海 电气集团股份有限公司上海锅炉厂生产的亚临界压力 、 一 次 再 热 、 双拱炉膛平衡通风 、 自然循环汽包锅炉 。 锅炉过热蒸汽流 量 为 1 025 t/h， 过热器出口蒸汽压力为 175 MPa， 过 热 器 出 口 蒸 汽 温 度 为 541 。 锅炉末级过热器 出口管道规格为 准610 mm765 mm， 材 质 12Cr1MoVG， 其 中 第 1 只焊口一端接过热 器出口联箱三通 ， 三 通 规 格 为 准610 mm610 mm610 mm110 mm， 材 质 12Cr1MoVG， 三 通 经 过变径与直管连接 ， 三 通 壁 厚 不均匀并有台阶 ， 如 图 1 所 示 ， 三 通 直 管 段 较 短 ， 仅 150 mm， 本三通焊口上下壁厚差别大 ， 属 异 型 结 构 。盖 面 焊 接 时 预 热 温 度 为 270 ， 预热升温速度为 80 /h，焊接完成后立即进 行 焊 后 热 处 理 ，焊后热处理升降温速度为 75/h， 热处理恒温温度 742 ， 恒 温 时 间 280 min； 焊 接 和 热处理工艺以及焊接 施工人员资质均符合规程规范要求 ， 焊 接 材料质保书齐全 ； 焊接及热处理完成后对该焊口进行无损检 测 ： 光谱检测焊缝材质与母材材质相符 ， 硬 度 检 测 合 格（HB240） ， 超 声 波 检 测 发现焊缝下熔合线处存在 3 处 超 标 缺 陷 ， 如 图 2 （上 部 未 见 缺 陷 ）。 对 焊 口 进 行 整 体 预 热 至 270 进行挖补返修时肉 眼 可 见 裂 纹 ， 立即停止挖补返修 ， 并 于 当 日下午对焊缝下熔 合线进行着色检测 ， 发 现 裂 纹 3 处 ； 次 日 对焊口进行磁粉及 超声检测确认裂纹已延伸至根部 ， 于 是 采 用管道坡口机割口返工处理 。图 1 三 通 直 管1 锅炉末级过热器出口三通焊口施工完成后经超声波检测 发现有超标缺陷 ， 挖补返修时发现裂纹并扩展 ， 割 口 返 工 处 理 后再次出现裂纹 ， 问 题 更 加 严 重 ， 经过对三通焊口焊接和热处 理技术难点和裂纹产生原因分析 ， 制定了针对性的返工工艺措 施 ， 并严格控制返修工艺措施的实施 ， 最终确保了三通焊口第 2 次 返 工 （第 3 次 焊 接 ） 的 成 功 。图 2 超声波检测焊缝下熔合线 割口返工处理前对第 1 次裂纹情况进行了初步的原因分 析 ， 编制了返工工艺措施并进行了交底 ， 严 格 实 施 ； 采 用 管 道 坡 口 机 割 口 、 角向磨打磨修整坡口 ， 对上下坡口进行着色检查 合格后重新打磨清理坡口 。 组对焊接时发现焊口磁力较大 、 进 行 消 磁 处 理 ， 预热后进行手工氩弧焊打底焊接和焊条电弧焊填 充 焊 接 （ 手工氩弧焊采用 TIGR31 焊 丝 ， 焊条电弧焊采用 1 三通焊口焊接施工及裂纹发现经过 1 锅炉末级过热器出口三通焊口首次焊接采用手工氩弧 Welding Technology Vol40 S0 Sep. 2011 CECWA 中国工程建设焊接协会第十届年 会焊接技术交流文 集 15 焊条电弧焊时预热温度为 280 ， 预 热 升 温 速 度 70 /h。 填 充焊 焊 接 至 20 mm 厚 ， 需 后 热 处 理 ， 后热处理升降温速度 70 / h， 后热处理恒温温度 380 ， 恒 温 时 间 5 h。 经射线检验合格 后重新预热后进行填充盖面焊接 （预 热 温 度 280 ， 升 温 速 度70 /h）。 焊接完成后立即即进行焊接热处理 ， 热 处 理 升 降 温 速 度 70 /h， 恒 温 温 度 740 ， 恒 温 时 间 5 h。 热 处 理 结 束 后 进 行 无 损 检 测 ： 硬 度 检 测 合 格 （HB230）； 超声波检测上熔合 线处发现超标缺陷 ， 如 图 3， 其 中 B 处上熔合线外观可见裂 纹 ， 并 进 行 着 色 检 验 确 认 （下 部 未 见 缺 陷 ）。 次日重新进行超 声 波 检 测 ： 裂 纹 A 处向固定端方向延伸约 80 mm， B 处 延 伸 至 深 度 58 mm； 同 时 B 处下熔合线处发现裂纹缺陷 ， 长 度 约 100 mm， 深 度 约 8 mm。 第 3 日再次对焊口进行磁粉和超声波检 测 ， 发现裂纹进一步扩展 。 裂纹位于接头热影响区粗晶区 ， 由 三通肩部处起源 ， 向三通腹部焊缝方向扩展 。 在 2 天 时 间 内 ， 裂 纹 扩 展 长 度 超 过 350 mm， 扩 展 深 度 超 过 30 mm， 最 大 深 度 已 超 过 60 mm。 对起裂处的裂纹位置 、 形 貌 特 征 初 步 分 析 ， 判 断该裂纹为再热裂纹 。（3） 热 处 理 难 度 大 。 三通焊口两侧是非对称结构 ， 焊 后 热处 理 时 ， 焊缝两侧是非对称传热 ， 当采用通用的焊后热处理工 艺和方法对该接头进行焊后热处理时 ， 由于接头各向传热的不 均 匀 性 ， 很难精确保证热处理温度场为不产生较大附加热应力 的最为合理的温度场 ， 由于热处理温度分布的不均匀性 ， 导 致 焊接接头在焊后热处理过程中 ， 产生较大附加热应力 。 由 于 该 热应力是由不均匀温度分布所导致 ， 焊后热处理并不能使之消 除 ， 而是在焊后热处理后的焊接接头中保持下来 。 有 些 工 程 中 测 量 发 现 ， 该类焊接接头即使在焊后热处理后 ， 残 余 应 力 仍 远 高于同规格直管对接接头焊后热处理后的残余应力水平 。 三 通 结 构 应 力 、 焊接残余应力及附加的热应力 ， 使接头在焊后热处 理过程中承受较大残余应力 ， 增加焊接接头开裂倾向 。22 首次焊接裂纹产生原因分析 首次施焊过程中 ， 焊工未能及时发现存在的缺陷 ， 又 由 于 事前与业主工程师协商对超过 70 mm 厚焊口一次焊接完成 ， 得 到 了 默 许 ， 故未对此焊口进行中间根部射线检测 ， 导 致 未 能 及时发现较深位置处焊接缺陷 。 由 于 结 构 原 因 ， 导 致 焊 接 热 处 理 温 度 不 均 匀 ， 未能有效消除焊接残余应力 ， 又由于壁厚相差 很 大 ， 焊缝接头处形成台阶 ， 加剧了结构突变 ， 导 致 更 大 的 应 力 集 中 。 返修时重视程度不够 ， 未制定具体的返修方案并进行 交 底 ， 未 采 取 防止焊接缺陷扩展的措施 ， 贸然进行返修作业 ， 返修过程中焊接残余应力释放 ， 导致焊缝下熔合线应力集中区 出现裂纹并进一步扩展 。23 第 2 次焊接裂纹产生原因分析 第 2 次 施 焊 前 ， 只 对 第 1 次裂纹产生原因进行了初步分 析 ， 未对管系结构和受力状态进行详细分析 ， 在此基础上编制 了 返 工 措 施 ， 采用了较为保守的热处理措施 ， 即采用了通用的 热处理工艺措施 ， 希望通过严格的焊接及热处理工艺控制来保 证 焊 接 质 量 ， 结 果 未能取得好的效果 ， 导致再次出现裂纹缺 陷 。 事 后 分 析 认 为 ， 再次出现裂纹缺陷的原因如下 ：（1） 由于管道壁厚大 ， 为保证内外壁温度均衡 ， 选 取 的 热 处理升降温速度慢 （70 /h）， 致使焊缝在再 热裂纹形成敏感 温 度 区 间 （500700 ） 停 留 时 间 过 长 ， 从 而导致再热裂纹的 产 生 。（2） 本三通焊口为横焊焊口 ， 其上部管段质量全部由上方 的链条葫芦承受 ， 在热处理过程中 ， 垂直管段受热膨胀 ， 长 度 增 长 ， 可以导致上方链条葫芦松弛致使管段受力状态发生大的 变 化 ， 引起处于高温下的焊缝 （强 度 明 显 降 低 ） 出 现 裂 纹 。（3） 由于结构原因， 热处理温度分布的不均匀性， 导致接头 焊缝在焊后热处理过程中， 产生较大附加热应力， 又由于壁厚相 差很大， 焊缝接头处形成台阶， 加剧了结构突变， 导致更大的应 力集中； 三通结构应力、 焊接残余应力及附加热应力， 使接头在 焊后热处理过程中承受较大残余应力， 增加焊缝开裂倾向。图 3超声波检测焊缝上熔合线 2 三通焊口焊接技术难点和裂纹产生原因分析 21三通焊口焊接和热处理技术难点 （1） 12Cr1MoVG 钢具有一定的冷裂纹和再热裂 纹 倾 向 。12Cr1MoVG 属 珠 光 体 耐 热 钢 ， 含 有 Mo， V 等碳化物形成元 素 ， 碳含量又处于再热裂纹形成敏感成分范围 ， 因 此 ， 该 钢 本 身具有较强的再热裂纹敏感性 ， 其再热裂纹形成的敏感温度区 间 为 500700 。 该钢也具有一定的冷裂 纹 敏 感 性 。 同 时 这 种 材料的力学性能 、 金相组织对热处理比较敏感 ， 不 同 热 处 理 制 度可以使其组织与性能存在较大差异 。 特别是对于厚壁件 ， 当 材料性能出现偏差 ， 采用通用的焊后热处理工艺时 ， 极 易 出 现 冷裂纹和再热裂纹 。（2） 三通焊口接头拘束度大 。 三通结构尺寸大 、 管 壁 厚 度 大 ， 使焊口接头拘 束 刚 度 大 。 现 场 检 查 发 现 ， 三 通 的 实 际 壁 厚 ， 远高于设计要求的最小壁厚 ， 即比与之对接的管道壁厚加 厚 很 多 。 因此在接头处形成台阶 ， 加剧了结构突变 ， 导 致 更 大 的 应 力 集 中 。 16 CECWA 中国工程建设焊接协会第十届年 会第 40 卷 增 刊 2011 年 9 月焊接技术交流文 集 焊 接 技 术度 保 持 在 180 左 右 ； 氩 弧 焊 堆 焊 2 层 共 3 道 。 堆 焊 完 成 后 对坡口钝边进行了打磨 ， 确保了内壁齐整 ， 冷却到正常温度后对 坡口钝边进行了磁粉和渗透检测 ， 保证堆焊层无裂纹缺陷 。3 返 工 处 理 措 施由于焊口已经经过 2 次焊接和热处理过程 ， 对 管 材 的 力 学 性能和使用性能影响较大 ， 第 3 次焊接和热处理一次成功至关 重 要 。31采用的主要技术措施 （1） 完全清除原焊缝 ， 重 新 焊 接 。（2） 较高的焊前预热温度 ， 且达到预热温度至少恒温 4 h后 再 开 始 焊 接 。（3） 采用超低氢型高韧性 R317L 焊 条 。（4） 采用锤击方法降低焊缝残余应力 。（5） 合理布置焊后热处理加热片 ， 采用中温回火加高温回 火相结合的热处理工艺 。（6） 加强工艺过程监控 ， 及时调整工艺措施 。32 原焊缝清除和坡口加工制备 采用管道坡口机和角向磨等机械方法清除原焊缝和制备坡 图 5 预热加热器及热电偶安装位置 33 组 对三通焊口组对时通过调整上方垂直方向和水平方向布置的 链条葫芦调整对口间隙 。 采用坡口内部相同材质加点固块的方 法 点 固 。 点 固 块 3 块 ， 沿管周向均匀布置 。 焊 完 4 层 后 清 除 点 固 块 。 三通焊口组对完成后对垂直管段进行了刚性固定 。口 。焊缝两侧母材加工去除 35 mm，以消除裂纹与淬硬层 。加工时采用的角度 10， 如 图 4， 加 工 到 70 mm 深 度 后 采 用管道坡口机从中间位置切断 ， 切断后检查发现切断位置非原焊 缝 中 心 位 置 ， 对 管 道内侧剩余焊缝进行检测 ， 发 现 硬 度 值 在 HB300 左 右 ， 与 焊 缝表面硬度检测结果 （HB230 左 右 ） 相 差 很 大 ， 此检测结果印证了厚壁管道热处理温度的不均匀性和热 处 理 效 果 差 。 管道切断后采用角向磨对剩余焊缝金属 、 淬 硬 层 进行了切割打磨并清除 ， 直至经硬度检测坡口硬度与母材硬度 值 相 当 ， 通过硬度检测保证了淬硬层的完全清除 。34焊 接打底前焊接预热工艺与堆焊钝边时预热工艺相同 （施 工 过程中预热加热 块和测温热电偶未变动 ）， 采取多层多道焊 ， 氩弧 焊 打 底 2 层 后 ， 采 用 准32 mm R317L 焊 条 填 充 2 层 。 继 续 升 温 至 350 ， 升 降 温 速 度 60 /h， 管道外壁温度达到预热温 度 350 后 恒 温 4 h 以 上 ，采用红外线测 温仪测得内壁温度 280 左 右 ， 采 用 直 径 为 准32 mm 和 准40 mm 的 R317L 焊 条 进行焊条电弧焊填充盖面焊接 。 每层焊完后进行认真检查 ， 合 格 后 焊 接 次 层 ， 直 至 完 成 。 层间焊缝的清理 、 缺陷的处理均采用 机械打磨的方式 ， 用角磨机或钢丝刷彻底清理焊渣及飞溅 ， 特 别是焊缝接头处和坡口边缘处 。 为保证后一焊道对前一焊道起 到 回 火 作 用 ， 焊接时控制每层焊道的厚度焊 条 直 径 ， 焊 条 摆 动 的 幅 度 ， 最 宽不超过焊条直径的 2 倍 。 采 取 2 人 对 称 施 焊 ， 每层焊道接头错开 1015 mm， 同时注意尽量使焊道平滑 过 渡 ， 便于清渣和避免出现死角 。 焊接过程中对焊缝进行锤击 ， 锤 击 目的在于降低焊缝的残余应力 ， 焊 工 每 焊 完 3 根焊条后焊缝在 红热状态下用风枪 对焊缝进行锤击 ， 在焊缝上形成密密的麻 点 。 盖 面 焊 缝 与母材圆滑过渡 、 熄 弧 处 饱 满 ， 接 头 熔 合 良 好 。 为防止最外层的边缘焊道成形不良 ， 突起造成应力集中 ， 对 其 进 行 了 修 磨 ， 形 成 圆 滑 过 渡 ， 避免焊趾部位产生应力集中情 况 。 焊缝整体焊接 完 毕 ， 采用砂轮机和钢丝刷将焊缝表面焊 渣 、 飞 溅 清 理 干 净 。 焊接过程未停顿 ， 一 次 完 成 。 焊 接 完 成 后图 4坡口形式示意图 原焊缝和淬硬层清除后 ， 进 行 MT 及 PT 检 测 ， 确 认 裂 纹完 全 清 除 。 焊口坡口经角向磨打磨后无钝边 ， 不利于焊口组对 和 打 底 焊 接 。 现场采用氩弧焊堆焊方法人工制造了一个钝边 ， 堆焊前对焊口上下坡口进行了预热 ； 焊接预热时上下坡口各布 置 20 kW 加 热 器 ， 其中上部用加热片 ， 下 部 用 加 热 绳 ； 上 下 2 回 路 分 别 控 温 ， 加热器安装距坡口边缘 2030 mm； 预 热 加 热 器 及 热电偶安装位置见图 5， 热电偶采用点焊方法固定 。 初 次 设 定 预 热 温 度 200 ， 升 温 速 度 60 /h， 温 度 到 达 200 后 恒 温 4 h， 采 用红外线测温仪检验发现内外壁温差很大 ， 内 壁 温 度 在 120 左 右 ， 于是调整预热温度至 280 ， 最 终 使 内 壁 温控 温 降 温 至 120 （降 温 速 度 60 /h），拆除预热加热块和热 电 偶 ， 重新布置焊后热处理控温热电偶和加热块 。35 焊 后 热 处 理焊后热处理采用中温回火和高温回火相结合的方式 ， 采 用 Welding Technology Vol40 S0 Sep. 2011 CECWA 中国工程建设焊接协会第十届年 会焊接技术交流文 集 17 主 加 热与辅助加热进行焊后热处理 。 加热器安装见图 6， 焊 缝上下加热装置为主加热装置 ， 布 置 加 热 片 30 kW， 由 于 三 通 结 构 原 固 ， 加热片不能沿焊缝中心对称布置 ， 故在三通侧又布置 了 1 根 主 加 热 绳 ， 30 kW 主 加 热 片 由布置在焊缝上的 2 根 热 电 偶 控 温 ， 同时在主加热片中间位置布置 1 只 测 温 热 电 偶 ， 三 通 侧主加热绳由布置在加热绳中间部位的热电偶控温 。 三 通 两 侧 主 管 上 各 布 置 1 根 10 kW 辅 助 加 热 绳 ， 作 为 辅 助 加 热 ， 两 侧 辅助加热绳由布置在辅助加热绳中间的 1 只 热 电 偶 控 温 ， 辅 助 加 热 温 度 为 540 ， 与管道的工作温度相同 。 保 温 厚 度 6080 mm， 采用双层保温棉 。 主加热和辅助加热 工 艺 曲 线 见 图 7。 主加热器升降温速度 60 /h， 中温回火恒温温度 485 ， 恒 温 时 间 6 h， 高温回火恒温温度 735 ， 恒 温 时 间 5 h， 降 温 至300 以 下 自 然 冷 却 。 辅助加热器升降温速度 60 /h， 中 温 回 火 恒 温 温 度 485 ， 恒 温 时 间 6 h， 与主加热器工艺相同 ， 继 续 升 温 至 540 ， 恒 温 时 间 11 h， 降 温 至 300 以 下 自 然 冷 却 ， 保持辅助加热器与主加热器降温过程基本同步 。735 的恒温温度要求 ， 同 时 监 测 发 现主加热器中心位置温度 比焊缝中心位置温度高 10 左 右 。 从 温 度监测情况可以看出 三通结构各向传热的差异和温度的不均匀性 。36 无 损 检 测三通焊口返工焊接和热处理结束后 ， 经磁粉检验未发现裂 纹 ， 经超声波检验合格 ， 焊缝硬度检验合格 ， 热影响区母材硬 度 检 测 合 格 （不低于标准要求下限值 ）， 焊缝光谱检测合格 。4 结 论实 践 证 明 ： 通 过 分 析 12Cr1MoVG 大口径厚壁管三通焊口 焊接过程中的技术难点 ， 制定具有针对性的焊接和热处理工艺 措 施 ， 施工过程中加强过程控制 ， 确保工艺措施的落实 ， 完 全 可以避免裂纹 缺 陷 的 产 生 ， 确保焊接施工质量符合规范要求 。 采用以下措施可以避免三通焊口裂纹的产生 。（1） 彻底清除原焊缝和淬硬层 ， 通过硬度检测确保原焊缝 和淬硬层完全清除 。（2） 采用较高的焊前预热温度且达到预热温度后恒温较长 时 间 ， 确保焊口坡口内部温度均衡 。 过程中采用红外线测温仪 监测坡口内部温度 ， 及 时 调 整 工 艺 ， 确保坡口内部温度符合预 热 温 度 要 求 。（3） 采用超低氢型高韧性 R317L 焊 条 。 超低氢焊条使焊 缝金属