1000MW火电机组水冷壁焊接再热裂纹分析

本文介绍了1000MW火电机组水冷壁T23/12Cr1MoV焊接裂纹的产生状况，确定裂纹性质为再热裂纹。分析了再热裂纹的产生机理、影响因素。结合现场实际情况，从温度场均匀性、组装应力、焊缝成形、伸缩自由度等几个方面分析了再热裂纹产生的原因，并采取降低温度差、减小应力集中、提高焊缝的外观工艺、采用较小的焊接线能量、增加预热和后热工艺等措施避免了再热裂纹的产生。 关键词：水冷壁；再热裂纹；防止措施

　　材料是阻碍火力发电机组参数提高的最大的瓶颈。为了适应发电机组向超临界/超超临界的发展，提高材料的高温性能，近30年来，美、日、欧等发达国家在开发电站新材料方面进行了大量的试验研究。其中，T23钢是日本住友公司在借鉴我国自行研制的多元低合金耐热钢102钢（即GB5310-2008中的12Cr2MoWVTiB钢）的基础上开发出来的一种新型耐热钢种，其600℃时的强度与102钢相当，但焊接性能优于102钢。12Cr1MoV钢是目前国产高参数火力发电机组的主要用钢钢种之一，广泛用于锅炉的过热器管和再热器管，焊接性能良好。12Cr1MoV和T23同属于以Cr-Mo为基础的低、中合金珠光体耐热钢。虽有资料表明两者都有再热裂纹倾向，但由于人们对其重视，近年来火电施工罕有这两种钢材发生再热裂纹的现象。对于两种钢材焊接的研究资料并不多见，本文针对某1000MW火电机组塔式炉水冷壁施工中发生的T23/12Cr1MoV焊接裂纹进行了分析。

　　1现状调查

　　TIG-R31是常用焊接材料，多年来未发现过裂纹。谨慎起见，施工单位委托郑州机械研究所做化学成分分析，结果见附表。

　　焊丝化学成分符合规程要求，原因分析排除了焊接材料的因素。

　　2原因分析

　　生产实践证明，珠光体耐热钢焊后进行热处理是不可缺少的重要工序。多数珠光体耐热钢在焊后并未出现裂纹，而是在焊后热处理过程中产生了裂纹，即焊接再热裂纹。

　　从60年代开始，国外相继报道了因再热裂纹而发生的多起事故，促使各国对再热裂纹开展了大量的试验研究。70年代初，国内也报道了因再热裂纹而导致产品失效的事故。随着珠光体耐热钢应用于压力容器和高温高压管道，关于再热裂纹的报道也时有所闻。

　　本文中所提及的T23/12Cr1MoV裂纹具备再热裂纹的明显特征：1）在珠光体耐热钢消除应力热处理过程中产生；2）产生的部位均在焊接热影响区的过热粗晶区，裂纹沿熔合线方向在奥氏体粗晶晶界发展；3）出现在应力集中部位。

　　要分析裂纹产生的原因，必须先要了解再热裂纹的影响因素。

　　2.1再热裂纹影响因素

　　2.1.1焊缝成形

　　由于焊缝成形影响应力集中的大小，再热裂纹易产生于应力集中的热影响区粗晶区，因而也影响再热裂纹的产生。焊缝与母材过渡不圆滑，焊缝余高过高或存在咬肉、未熔合、未焊透等缺陷，在焊后再热过程中均能诱发再热裂纹。因此焊接过程中应尽可能的控制焊缝成形，对成形不理想或存在缺陷的部位进行修补，以达到降低焊接应力的作用，从而控制再热裂纹的产生。

　　2.1.2组装应力

　　组装时采用强力组对等，都会使得焊缝处存在大的组装应力。焊后再热过程中，容易引发再热裂纹，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。

　　2.1.3预热

　　为防止再热裂纹的产生，焊前预热是十分有效的。预热可以降低焊接应力，珠光体耐热钢焊前按要求进行预热，在很大程度上可以防止再热裂纹的产生。

　　2.1.4焊后后热

　　实验证明，珠光体耐热钢焊后进行350℃的后热处理，可以有效地消除焊缝中的扩散氢，从而减少焊缝中残存的空穴，有利于防止再热裂纹的产生。

　　2.1.5焊接线能量

　　大的焊接线能量会使过热区的晶粒更加粗大，晶界结合力更加脆弱，从而增加了再热裂纹产生的倾向。

　　2.2焊缝再热裂纹产生原因

　　2.2.1管屏上下受热严重不均匀，导致产生热应力。经调查由于三通处形状不规则，包覆加热器时无法对称布置，热处理工在管排上部布置20kW加热器，下部布置10kW加热器，这样必然导致管排受热不均匀，使加热和冷却过程中产生附加热应力。据施工人员反应，热处理过程中管屏焊缝附近明显上挠约有10cm的高度，可见热应力之巨，但施工人员并没有考虑到布置相应的热电偶去测量不同地方的温度差异。

　　2.2.2为便于对口，施工人员对焊缝一侧的管排进行了抽条，而焊缝另一侧的管排没有进行抽条，也就导致了焊缝两侧刚性不同，加之三通的形状不规则，使得焊缝成为应力集中区域，加热过程中承受巨大的热应力。

　　2.2.3每片管屏有焊口22道，但热处理时由于加热片长度不够，每炉只热处理17道焊口，未热处理位置的管子对正在热处理的管子伸缩起到了阻碍作用，使得被处理的焊缝及管子在加热时不能自由伸长，降温时不能自由收缩，加大了焊缝处的应力集中。

　　2.2.4地面组合时为保证组件尺寸，对口前对管屏进行了定位焊，热处理时定位焊点并未去除，导致热处理过程中管排不能自由伸缩，加大了焊缝承受的热应力。

　　2.2.5焊接电流过大，个别焊缝成形不好，有咬边、过渡不良等缺陷存在。

　　3纠正措施

　　原因分析清楚，针对原因采取相应措施。

　　3.1尽量保证焊缝受热均匀。改变原来的热处理工艺，管排上下各布置相同功率数的加热器，保证上、下两面的功率输入相同（遗憾的是，施工人员并没有布置相应数量的热电偶进行上下温度差比对）。

　　3.2热处理前去除影响管子收缩的定位焊点，降低拘束度，让管子在受热过程中自由伸缩。

　　3.3每一组管屏焊完后22道焊口同时处理，让所有管子同时伸缩。

　　3.4焊缝两侧同时抽条，抽条长度一致，尽量减小焊缝处的应力集中。

　　3.5采用小电流焊接，降低焊接线能量。同时加强外观检验，消除咬边、过渡不良等缺陷。

　　3.6为降低焊接应力，预热150℃后进行施焊。

　　3.7焊后进行350℃恒温1小时后热处理，除确保氢逸出外，还可有效地降低焊后冷却速度，降低接头的残余应力。

　　采取以上措施后，管排焊缝热处理后未再出现裂纹，取得了良好的控制效果。

　　4 结束语

　　4.1 本文中水冷壁焊缝出现的裂纹属再热裂纹。

　　4.2 消除外观缺陷、采用小的线能量、降低应力，可以有效减少裂纹率。

　　4.3 受热不均匀导致的热应力是再热裂纹产生的主要原因。

　　4.4 降低拘束度有助于降低再热裂纹产生的概率。