电厂后屏出口三通裂纹

1、科 学 技 术 报 告中电投某热电公司4号锅炉后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝裂纹分析报告电力科学研究院二一六年七月二十八日密级：普通商秘质量记录号：QGL.LJDKJ022012 编号：2016001项目名称：中电投某热电公司4号锅炉后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝裂纹分析负责单位：某省电力科学研究院有限公司委托单位：中电投某热电公司项目负责人：主要参加人员：编 写：初审：审定：批 准：摘要中电投某热电公司4号锅炉后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝，多次出现裂纹，分析的原因为：应力的叠加，再热裂纹的敏感性，部件结构的不利影响。关键词：焊缝裂纹应力目录1前言12设备简介13无损探伤1

2、4光谱分析25理化检验36综合分析47结论与建议8中电投某热电公司4号锅炉后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝裂纹分析1前言2014年10月11日，中电投某热电公司4号锅炉运行中，发生后屏过热器联箱乙侧出口三通与弯头对接焊口开裂事故。2015年7月5日，某省电力科学研究院有限公司金属所，首次对某热电厂4号锅炉进行内部定期检验，发现后屏过热器出口联箱甲侧、乙侧三通与弯头对接焊口存在危害性裂纹缺陷，该位置重新焊接后再次出现严重的裂纹缺陷，严重影响电厂安全运行。应中电投某热电公司请求，某省电力科学研究院有限公司负责对焊口裂纹事故进行分析，确定导致焊口开裂的原因，并给出相应的事故处理意见。2设备简介中

3、电投某热电公司4号锅炉型式为HG-1165/17.5-HM3 型，由哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造， 2011年1月6日投产。最大连续蒸发量： 1165t/h，再热蒸汽流量： 969.3 t/h，汽包压力： 19.0Mpa，过热器出口压力： 17.5Mpa，温度： 540，循环方式：单汽包自然循环一次中间再热，燃烧方式及喷燃器布置方式：煤粉悬浮燃烧、四角切圆燃烧。后屏过热器联箱出口三通材质为12Cr1MoVG，规格为406×406×508mm。哈尔滨锅炉厂生产的同种类型锅炉共有210台，后屏过热器联箱出口三通与弯头对接焊口出现开裂的共有3台，该位置的故障率为1.43%。201

4、2年，牡丹江第二发电厂8号锅炉运行中后屏过热器联箱出口三通与弯头对接焊口开裂，割开该位置的焊口，按照哈锅的焊接工艺重新焊接后经检验合格，至今未发现问题。滨州电厂的锅炉在基建过程发现后屏过热器联箱出口三通与弯头对接焊口开裂，经返修处理后合格。3无损探伤2014年10月11日，中电投某热电公司4号炉运行中，工作人员巡回检查时发现异常，发现锅炉顶部冒汽严重。停炉冷却后，进入二次密封检查，发现后屏过热器联箱乙侧出口三通与弯头对接焊口开裂，裂口很大，已经裂透；裂口沿焊缝周向分布，长度占周长的五分之四。某省电力科学研究院有限公司金属所采用磁粉探伤、渗透探伤方法扩大检查时发现，后屏过热器联箱甲侧出口三通与弯

5、头对接焊口也有裂纹，位置在弯头的外弧侧，但未裂透。在返修补焊的过程中，后屏过出口联箱乙侧出口三通与弯头对接焊口补焊后出现裂纹缺陷，打磨46mm后裂纹消失。 甲侧出口三通与弯头对接焊口补焊后在炉前侧半圈再次出现裂纹缺陷，重新挖补处理后合格。 2015年7月5日，某省电力科学研究院有限公司金属所首次对某热电厂4号锅炉进行内部定期检验。无损探伤过程中，发现多处危胁电厂安全运行的危害性缺陷，其中：后屏过热器出口联箱乙侧三通弯头对接焊口存在裂纹缺陷，位置在焊口甲侧，沿周向长约400mm，沿周向分布长达三分之一周长，且接近穿透；后屏过热器出口联箱甲侧三通弯头对接焊口存在裂纹缺陷，位置在焊口甲侧，沿周向长约

6、200mm，沿周向分布达圆周的四分之一。将甲侧、乙侧两个弯头整体割下，重新焊接。弯头与直管连接的两个焊口检验后合格。但是弯头与三通连接的两个焊口重新焊接后再次出现裂纹；其中甲侧焊口裂纹较浅，经打磨处理后合格，而乙侧焊口裂纹深达50多毫米，必须重新挖补焊接。乙侧焊口裂纹形貌见图1。图1 分隔屏夹屏管外表面裂纹形貌图1 屏式过热器出口联箱乙侧三通弯头对接焊口裂纹形貌4光谱分析用x射线衍射直读式金属光谱分析仪分析三通、弯头、焊缝的合金成分，通过多次测量求平均值，合金成分光谱分析结果见表1。铬Cr、钼Mo、钒V、锰Mn等合金成分符合国家标准GB53102008对12Cr1MoVG的要求。表1 光谱分析

7、平均结果铬Cr(%)钼Mo(%)钒V(%)锰Mn(%)铜Cu(%)钛Ti(%)弯头1.010.290.150.530.19三通1.050.260.160.450.17焊缝1.190.540.230.692.715理化检验在靠近焊缝热影响区，分别对三通和弯头做金相检验。抛光侵蚀后在光学金相显微镜下观察，见图2、图3。金相组织均为铁素体+珠光体，没有金相组织偏析，晶界上有少量碳化物，珠光体为层片状，形态清晰，珠光体球化等级为2级，金相组织正常。图2弯头的金相组织 放大200倍图3三通的金相组织 放大200倍三通和弯头的材质为12Cr1MoVG，硬度合格范围是布氏硬度HB131197。三通和弯头实测

8、硬度值在HB140153之间，合格。焊缝硬度HB210227，焊缝硬度合格。6综合分析后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝在运行中和返修过程中，连续多次出现裂纹缺陷，开裂的程度相当严重，是机组安全运行的重大隐患。针对上述情况，以下从应力状况、部件结构、焊接热处理几方面进行分析探讨。6.1应力状况应力是影响安全运行的关键因素。管道应力分为一次应力和二次应力。一次应力是指管道在内压、自重和其它外载作用下所产生的应力；二次应力是指管道在热胀、冷缩或其它位移受约束时产生的应力，这些应力的叠加，是生成裂纹的应力因素。一般情况下，导致开裂应力主要包括管系拘束应力、结构应力、焊接应力、机组起停、运行方式变化

9、产生的附加应力。要保证管道安全运行，管系结构和受力合理是必要条件。要求设计合理、安装正确、运行使用得当。管系要有良好的补偿能力，其热膨胀不应受到“非法”的约束，管系不应有大幅度的低频振动。在现场检查后屏过热器出口联箱时发现，该处有四根水冷壁上集箱引出管支吊架残缺不全，导致支吊架失效，使水冷壁上集箱引出管的部分重量压在后屏过热器至末级过热器导管上。水平方向也发现有水冷壁上集箱引出管与后屏过热器导管发生刚性接触。图4 水冷壁上集箱引出管压在后屏过热器出口联箱导管上图5 水冷壁上集箱引出管与后屏过热器出口联箱导管的水平刚性接触后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝，正处在管道弯曲变化较大的应力集中部位

10、，是整个管路最薄弱的区域。在一定的外力作用下，此部位的焊缝容易开裂。图6 后屏过热器出口联箱及导管示意图后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝，除了承受内压力所产生的应力外，负荷变化在材料内部产生温差，承受严重的热应力，还需承受来自连接导管的结构应力。连接导管总长度多，弯弧变化大，连接管道本身在水平方向和垂直方向也有热膨胀，因此在三通与弯头对接焊缝根部产生较大的弯矩作用。由于此位置水冷壁上集箱引出管未安装支吊架，水冷壁上集箱引出管的部分重量压在后屏过热器至末级过热器导管上，这会带来三方面的不利影响：1、后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝，不得不承受超出设计要求的附加的弯矩作用，提高了应力幅度；

11、2、锅炉运行过程中，水冷壁上集箱引出管使后屏过热器导管热膨胀受到“非法”的约束，增加裂纹萌生的可能性；3、水冷壁上集箱引出管在运行中对后屏过热器导管产生振动作用。裂纹产生于弯头外弧侧，弯头内弧侧焊口不产生裂纹，表明裂纹的产生与应力有高度相关性。管道支吊架在安装和运行中存在受力不合理等问题时，将导致管系柔性不足，管道应力升高，使管道运行达不到原设计要求。失效的支吊架会导致管道载荷重新分布，部分管段危险性增大，随着时间的推移，管段应力损伤加快，必然缩短其应有的寿命，严重影响机组的安全运行，因此应对相关位置支吊架进行全面检验与调整，确保运行时热膨胀位移不受阻。综合以上分析，多种应力作用在应力集中较大

12、的焊缝处，造成应力叠加。由于叠加的组合应力值过高，导致了焊缝在运行过程中产生裂纹。叠加的组合应力过高，是产生裂纹的主因。6.2部件结构三通与弯头连接处脖颈较短，壁厚过渡明显。三通与弯头之间没有过度段，三通的厚度较弯头大。弯头公称厚度75mm，三通壁厚90mm，两种均为大厚壁部件且壁厚相差较大。三通的下部连接众多的小径管。该结构应力集中较大。这种复杂结构保证不了热量的均匀释放，导致温度梯度大，由于壁厚差别较大，在现场施工的焊后热处理时难以保证温度均匀，从而产生较大的热应力。因此，该种结构的三通焊口最佳的热处理方法是炉内处理，而不应现场处理。三通与弯头的复杂结构增大了现场检修难度，难以对焊缝内部进

13、行超声波探伤，焊缝的焊接质量得不到保证。6.3焊接热处理在挖补修复焊接过程中，后屏过热器出口联箱三通与弯头对接焊缝，在焊后热处理中产生的裂纹位于焊缝熔合线附近的粗晶区中，发现的裂纹具有再热裂纹特征。再热裂纹是焊后焊件在一定温度范围内再次加热（消除应力热处理或其它加热过程）而产生的裂纹。再热裂纹是由晶界滑移导致微裂形成而发生和扩展的。即在焊后热处理过程中，残余应力松驰时，粗晶区应力集中处的某些晶界塑性变形量超过了该处的塑性变形能力，当应力集中部位晶界局部的实际塑性变形大于该处产生裂纹的临界变形能力时，晶界的结合力遭到破坏而产生空洞，就形成再热裂纹。实际塑性变形与焊接接头的拘束度、残余应力的大小以

14、及晶粒的大小有关。钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素会促使形成再热裂纹，如珠光体耐热钢中的V元素，会使裂纹敏感性显著增加；12Cr1MoVG含有一定量的沉淀强化元素，该材料具有一定的再热裂纹敏感性。不同的钢种存在不同的易产生再热裂纹的敏感温度范围。因此，在制定焊后热处理工艺时，应尽量减少焊件在敏感温度范围内的停留时间。再热裂纹的产生存在一个敏感的温度区，一般低合金钢的再热裂纹敏感温度区间为在500700，600左右最为敏感。12Cr1MoVG钢长期用作小管和中厚壁管材料，对再热裂纹不敏感。近年来用于大厚壁管子、管件后，同类型的三通多次发现类似的缺陷，反映出该钢种在制作大厚壁管子、管件时再热裂

15、纹的敏感性增加。三通和弯头是锻件，材料的塑性差，焊接时产生裂纹的几率大增。主要工艺要点如下：1、采用机械方法去除旧焊缝，防止去除旧焊缝的过程中产生过热组织，影响随后的焊接工作；2、再热裂纹总是出现在拘束应力或应力集中的部位，焊接应力越大越易产生，因此组装珠光体耐热钢时要避免强力组装，以减少组装应力，每层焊道进行锤击消应力； 3、后屏过热器出口联箱三通是大厚壁异形构件，在热处理的过程中必须考虑构件整体受热的均匀性，合理布置加热器，防止热处理后产生温差附加应力。综合考虑加热和散热条件，导热性差的焊件，形状复杂、厚度比相差悬殊的焊件，厚度很大的焊件，宜采用较低的升温速度，否则也可能诱发焊件开裂；4、

16、为防止产生再热裂纹，必须采用较高的预热温度。焊前预热及层间保温要保证整个构件受热的均匀；5、大的焊接线能量使过热区的晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，为防止晶粒严重长大增加再热裂纹的敏感性，应选用较小的焊接线能量；6、热处理时应注意温度测点焊接是否牢固，加热器与三通、管接头之间贴合是否紧密，绑扎是否牢固，保温层覆盖厚度与范围，线的连接是否可靠等，并密切监督整个过程。热处理后待构件完全冷却，对需检测区域打磨干净，显露出金属光泽，进行表面探伤，条件许可做超声波检测。加强焊后的无损探伤，以确定是否具有裂纹等危害性缺陷的存在，如果存在缺陷必须消除。7结论与建议通过上述分析，可以得出以下结论：1、后屏过

17、热器出口联箱三通焊接裂纹是多种因素综合作用产生的； 2、外加的结构应力，焊接的热应力、拘束应力构成焊接接头金属开裂的力学条件。叠加的组合应力过高，是运行中产生裂纹的主因；3、后屏过热器出口联箱三通与弯头焊接结构的约束大，结构不连续，无损检验难以保证焊接质量，很难发现焊缝的内部缺陷；4、三通、弯头厚度大，形状复杂，结构应力大，有较大的应力集中，热处理不均匀，导致焊接过程中易产生再热裂纹；针对以上结论，提出下列建议：1、消除三通与弯头焊缝的裂纹，就必须从降低应力着手，优化结构应力。及时处理失效的支吊架，下次检修时，对相关部位的支吊架进行全面的检查调整；2、焊接修复过程中，防止产生再热裂纹。通过减少焊接线能量、控制每层焊肉厚度和层间温度等措施，减少粗晶区的厚度，另外通过层间锤击等手段减少焊接残余应力。在焊后热处理过程中，采用合理的加热器布置和严格温度控制，避免焊件在敏感温度区长时间停留；3、增加对该结构三通焊缝的无损检测频次，每次停炉必做探伤检验，及早发现运行过程中产生的裂纹；4、在三通附近加装防漏泄监测点，监督运行；5、4号炉在以后的运行中，如果该部位再次出现严重裂纹，应考虑优化结构设计，从改变结构入手，尽可能减少结构应力；6、耐热钢同一位置上的挖补次数不应超过两次，