1 000 MW塔式爐水冷壁泄漏原因分析及處理

張仁珊，蔣家華

（神華國華寧海發(fā)電廠，浙江 寧海 315612）

1 概述

1.1 機組概況

國華寧海發(fā)電廠5號鍋爐為SG3091/27.56-M54X型，是由上海鍋爐有限公司引進Alstom-Power公司Boiler Gmbhd技術(shù)生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，采用一次再熱、單爐膛單切圓燃燒、平衡通風(fēng)、露天布置、故態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架塔式布置。

鍋爐水冷壁采用兩段式布置，在鍋爐的68.68 m處設(shè)有中間過渡集箱，下部為螺旋管水冷壁，上部為垂直段水冷壁，41.5 m以上水冷壁均采用國產(chǎn)T23鋼。

1.2 材料分析

T23（HCM2S）鋼是日本三菱重工業(yè)株式會社和住友公司聯(lián)合開發(fā)的新型鍋爐用鋼，是在T22鋼基礎(chǔ)成分中以W取代部分Mo并添加Nb和V，提高蠕變強度，降低了C成分以提高焊接性能，同時加入微量B提高淬透性以獲得完全的貝氏體組織。T23鋼在550℃時許用應(yīng)力接近T91，600℃的蠕變強度比T22鋼高93%。T23鋼的可焊性很好，焊前可不預(yù)熱，焊后可不熱處理。由于T23鋼較T22鋼高溫持久強度有了很大的提高且可焊性有了較大的改善，故近年來T23鋼在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用。

T22，T23鋼化學(xué)成分比較見表1，根據(jù)AST-MA213標(biāo)準(zhǔn)的鋼種機械性能比較見表2。

表1 化學(xué)成分比較%

表2 機械性能比較

2 泄漏原因分析

在基建施工前期，由于對T23鋼的特性沒有完全熟悉，施工單位根據(jù)廠家給出的工藝，即“焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理”，進行施工焊接。加上塔式爐存在局部結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的問題，如存在剛性過渡梁、填板、小嵌板與水冷壁管之間的角焊縫，在水壓試驗及機組調(diào)試期間，機組多次出現(xiàn)水冷壁泄漏情況。根據(jù)泄漏統(tǒng)計情況，可以發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：

（1）泄漏的部位集中在標(biāo)高40～70 m之間的螺旋段水冷壁，大多位于4個轉(zhuǎn)角彎管鰭片的角焊縫處，或是剛性過渡梁與管子角焊縫處。

（2）調(diào)試過程中，當(dāng)機組冷啟動后的水壓達到7～10 MPa時，水冷壁也會出現(xiàn)泄漏的情況。

對泄漏的原因進行分析，裂紋的形成主要有以下3種情況：

（1）由應(yīng)力過大而導(dǎo)致的冷裂紋。沿熔合線的粗晶區(qū)存在晶界弱化現(xiàn)象，晶界處有碳化物析出，如果在應(yīng)力的進一步作用下，此處也可能產(chǎn)生沿晶裂紋。根據(jù)氧化物的顏色，認為此裂紋在較低溫度下形成的可能性較大。

（2）由于管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、殘余應(yīng)力較大并存在焊接缺陷而導(dǎo)致的裂紋。

（3）同時具有冷裂紋和再熱裂紋特征的裂紋。金相檢驗表明裂紋擴展有沿晶特征，并且主裂紋啟裂處在粗晶區(qū)發(fā)現(xiàn)沿晶微裂紋。

總之，目前發(fā)現(xiàn)的裂紋多由于應(yīng)力為主要作用而導(dǎo)致的冷裂紋，焊縫成形差，缺陷應(yīng)力集中，為冷裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。但在結(jié)構(gòu)應(yīng)力大且工藝欠合理的情況下，也可能產(chǎn)生再熱裂紋。

3 裂紋原因分析

3.1 冷裂紋傾向

根據(jù)廠家資料，T23鋼對冷裂紋的敏感性很低，其無裂紋傾向的預(yù)熱溫度為20℃，對于焊接薄壁和小直徑鍋爐受熱面管，若環(huán)境和工作溫度在20℃以上，就可以不做焊前預(yù)熱。但是寧海發(fā)電廠現(xiàn)場生產(chǎn)實踐表明，T23鋼有一定的冷裂傾向，因此對于壁管厚、拘束度大的構(gòu)件，還是推薦做適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，可有效防止冷裂紋的產(chǎn)生。

3.2 擴散氫的影響

焊接過程中，焊接材料及母材表面保護不好，均會使焊縫金屬氫含量增高，而擴散氫會導(dǎo)致氫脆，促使冷裂紋傾向增大。隨著鋼材碳當(dāng)量CE的增大，氫脆敏感性必隨之增大。由于現(xiàn)場處在海邊，空氣濕度大，環(huán)境比較惡劣，從而在焊接過程中增加了擴散氫的可能性，若在安裝焊接中未進行焊后熱處理，則會增大產(chǎn)生冷裂紋的可能性。

3.3 再熱裂紋傾向

再熱裂紋是指焊后對焊接接頭再次加熱時所產(chǎn)生的裂紋，焊后未經(jīng)再次加熱并無裂紋產(chǎn)生。再熱裂紋的特征是沿晶開裂，開裂的前提條件是存在焊接殘余應(yīng)力和敏感的化學(xué)元素。由于殘余應(yīng)力的作用，在一定高溫范圍加熱，應(yīng)力松弛導(dǎo)致應(yīng)變超過材料塑性變形的能力時，便可能產(chǎn)生再熱裂紋。

上海鍋爐廠通過斜Y型拘束焊接試驗方法對T23鋼的再熱裂紋敏感性進行了焊接性試驗研究。試驗用焊條牌號為HCM2S，焊條直徑Ф3.2 mm，焊接方法為SMAW。結(jié)果表明，在600～760℃之間T23鋼均有不同程度的裂紋產(chǎn)生，最敏感的溫度范圍是690～760℃。并且，在相同的再熱溫度下，預(yù)熱溫度越高，再熱裂紋發(fā)生率越低，可見提高預(yù)熱溫度可在一定程度上避免再熱裂紋的產(chǎn)生。

4 預(yù)防措施

4.1 焊接操作要點

根據(jù)T23鋼的焊接特性和國內(nèi)外通過試驗、實際應(yīng)用得到的經(jīng)驗，推薦T23鋼的焊接操作要點如下：

（1）小口徑管氬弧焊的焊態(tài)沖擊韌性比較高，對于小口徑薄壁管，推薦用全氬焊接。對于厚壁管，可采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充、蓋面的焊接方法。為了提高焊接質(zhì)量，推薦氬弧焊打底2～3層，管內(nèi)壁通氬保護，防止氧化。

（2）推薦焊接坡口角度為 60°, 鈍邊 0.5～1 mm,間隙2～3 mm,間隙太小容易造成未焊透,間隙過大容易造成填充金屬量大，造成焊接速度相對減慢，容易導(dǎo)致背面過燒。

（3）推薦鎢棒磨成 15°錐度，較尖的鎢有利于電弧集中，電弧集中有利于熔池成形和提高焊接速度，防止根部焊縫過燒。

（4）焊接時，在保證熔合良好、不產(chǎn)生焊接冷裂紋的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量不采用過高的預(yù)熱及層間溫度，不采用過大的焊接線能量，采取多層多道焊，焊層厚度為 2～3 mm，確保上層焊道對下層焊道的回火作用。掌握“小線能量、快速連弧、小擺幅、薄焊層、多層多道焊”的操作方法。

4.2 焊后熱處理

T23鋼最初的研制目標(biāo)是不預(yù)熱、不熱處理，ASME標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定小于12mm的T23鋼焊后可不熱處理。但越來越多的生產(chǎn)實踐證明，T23鋼可以不預(yù)熱是有條件的，對于拘束應(yīng)力較大的厚壁管或結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拘束應(yīng)力較大的焊接結(jié)構(gòu)件不預(yù)熱是很危險的。同樣，T23鋼焊后不熱處理的范圍也是有限的，對于拘束應(yīng)力較大的焊接結(jié)構(gòu)件焊后應(yīng)進行熱處理。

T23鋼具有較明顯的再熱裂紋傾向，裂紋敏感性較強，敏感溫度區(qū)間為580～750℃，最敏感溫度在650℃附近。故T23鋼熱處理時應(yīng)采取有效的措施防止再熱裂紋，如可采取從減小設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力、采用合適的焊接順序降低焊接應(yīng)力、注意控制焊接成形、減小應(yīng)力集中等方法防止再熱裂紋。

T23鋼與T24，T91，T92等新型鐵素體耐熱鋼一樣具有抗回火軟化傾向和回火脆性問題，過低的熱處理溫度無法改善T23鋼焊接接頭的綜合性能，甚至可能產(chǎn)生危害，故適當(dāng)高的熱處理溫度有利于提高T23鋼焊接接頭的綜合性能。廠家推薦T23鋼的焊后熱處理溫度為 700～730℃。但根據(jù)最近國內(nèi)外T23鋼的研究報告，T23鋼焊后熱處理的溫度需提高到740℃。試驗結(jié)果也證實了2 h 750℃的熱處理，可以使T23鋼得到最高的沖擊韌性。

對剛性較大的產(chǎn)品或厚壁 T23鋼進行焊后熱處理時，應(yīng)盡可能避開再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，可先進行次中間退火處理（550℃×1 h），釋放部分殘余應(yīng)力，從而降低高溫740℃退火時間。另外，應(yīng)盡可能加快敏感溫度升溫和降溫的速度，以減少T23焊接接頭在再熱裂紋敏感溫度內(nèi)停留的時間，達到降低再熱裂紋敏感性的目的。

5 結(jié)語

由于機組運行時間不長，有些缺陷還沒有暴露。尤其是目前對國產(chǎn)T23鋼與國外產(chǎn)品的差異了解不夠深入，在機組運行過程中，必須加強現(xiàn)場監(jiān)督的力度，分析現(xiàn)場產(chǎn)生的缺陷，緊跟T23材料最新的研究成果，預(yù)防水冷壁的裂紋及泄漏，實現(xiàn)超超臨界鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

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