1、鍋爐再熱器穿頂密封結(jié)構(gòu)簡介
鍋爐中、高溫再熱器管子規(guī)格均為∮60 mm×4mm，材質(zhì)涵蓋了15CrMo、12CrIMoV、鋼102和SA213-T91等四種鋼材。中溫再熱器每屏14根管子，高溫再熱器每屏7根管子，在管屏穿出頂棚過熱器處采用了如圖l所示的焊接密封結(jié)構(gòu)；梳形板與再熱器管子的管板接頭（以下簡稱“接頭”）由制造廠完成，采用手工電弧焊焊接，單面焊不開坡口，從上部施焊，焊接完畢后整屏進(jìn)行消除應(yīng)力處理。
2、裂紋的宏觀檢查及分析
檢查發(fā)現(xiàn)，接頭的開裂具有如下共同特征：對鋼種不具選擇性；開裂于焊根部位（見圖2）；裂紋呈環(huán)向，與焊縫走向～致；裂紋徑向擴(kuò)展面與管子軸線大致成45°角；開裂的接頭存在嚴(yán)重的根部焊瘤，且焊縫熔深己透達(dá)管子內(nèi)壁（裂紋正由此處穿出管子內(nèi)壁）。
斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口表面覆蓋有氧化層且較粗糙，斷口呈巖石狀，無明顯塑性變形；除靠近管子內(nèi)壁的很窄區(qū)域存在剪切唇外，斷口的其余部分為裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)——據(jù)此可判斷，裂紋由管子外表面形核而向內(nèi)壁擴(kuò)展。
3、裂紋的微觀分析
金相顯微鏡下裂紋的微觀形貌如圖4所示。管子母材微觀組織正常，無明顯組織老化現(xiàn)象。裂紋擴(kuò)展區(qū)位于焊縫熱影響區(qū)粗晶過熱區(qū)內(nèi)；裂紋沿過熱粗晶界面發(fā)展，裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物；在裂紋擴(kuò)展前沿，分布著大量斷續(xù)的晶界微裂紋，其方向基本與大裂紋發(fā)展方向一致；在三晶粒交界處，裂紋呈楔形開裂形態(tài)，微裂紋相互之間尚未連接。裂紋周圍無組織脫碳等現(xiàn)象。
從微觀形貌上看，裂紋具備了再熱裂紋的典型特征；通過綜合類比分析，進(jìn)一步判斷此裂紋為再熱裂紋。
4、開裂原因分析
(1)接頭材質(zhì)含沉淀強(qiáng)化元素，具有再熱裂紋敏感性。
大量試驗研究證實，含沉淀強(qiáng)化元素的鋼材，如低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼等，其焊接接頭均有一定的再熱裂紋敏感性。究其原因，目前一般認(rèn)為，焊接接頭在經(jīng)受一次焊接熱循環(huán)后，在后續(xù)的再熱過程中（如焊后消除應(yīng)力處理，多層多道焊及在500 -700℃下工作等），由于第一次熱過程中過飽和固溶的碳化物（主要是釩、鉬、鉻等的碳化物）在晶內(nèi)沉淀析出造成晶內(nèi)強(qiáng)化，導(dǎo)致蠕變滑移集中于晶界，當(dāng)晶界的塑性不足時，就會產(chǎn)生再熱裂紋。
(2)接頭剛度大且應(yīng)力集中嚴(yán)重。
焊接接頭在消除應(yīng)力處理時產(chǎn)生再熱裂紋的必要條件是：焊態(tài)下存在較大的焊接殘余應(yīng)力且有不同程度的應(yīng)力集中。接頭型式為插入式管板接頭，剛度較大，焊態(tài)下必然存在著較大的焊接殘余應(yīng)力，并且在接頭焊根，由于存在幾何尖角，焊接殘余應(yīng)力必然產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。因此，接頭具備了在消除應(yīng)力處理時產(chǎn)生再熱裂紋的必要條件。
(3)運行條件下，密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的熱應(yīng)力。
運行條件下，密封結(jié)構(gòu)的梳形板與再熱器管子存在較大溫差（該溫差大約在100 - 200℃左右），因而，二者之間必然存在較大脹差。由于接頭的剛度很大，此脹差不能被有效吸收，所以，接頭必然著存在較大的熱應(yīng)力。而且和焊接殘余應(yīng)力一樣，熱應(yīng)力亦在接頭焊根的幾何尖角產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。
根據(jù)再熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理，熱應(yīng)力和熱應(yīng)力集中對接頭的開裂必然起到主導(dǎo)作用。
(4)焊接線能量過大。
研究表明，再熱裂紋常發(fā)生于焊接熱影響區(qū)的過熱粗晶部位，并具有晶間開裂特征。材質(zhì)的晶粒度對再熱裂紋的影響尤為明顯：實驗證明，在500℃下，晶粒度越大，則晶界開裂所需的應(yīng)力越小。并且，晶粒粗化還會導(dǎo)致過熱粗晶區(qū)止裂能力進(jìn)一步缺失，使得再熱裂紋更易于在此區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展。
接頭上存在焊瘤，焊縫熔深透達(dá)管子內(nèi)壁，這些事實證明制造單位在施焊時采用了過大的焊接線能量；過大的線能量會使焊接熱影響區(qū)粗晶過熱區(qū)的晶粒更加粗大，因而必然加速接頭的開裂。
5、密封焊口的防裂對策
以降低結(jié)構(gòu)剛性，消除結(jié)構(gòu)元件間的溫差，提高接頭的抗裂性為出發(fā)點，對中、高溫再熱器穿頂密封結(jié)構(gòu)實施技術(shù)改造。
(1)將密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖5所示的套筒式。
與原結(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：接頭剛度顯著降低，焊接殘余應(yīng)力小；由于套筒（12CrMoV材質(zhì)）與再熱器管子實現(xiàn)面接觸，二者之間基本不存在溫差，于是，接頭的熱應(yīng)力得以最大限度地消除；便于檢修焊后熱處理。
(2)優(yōu)化焊接工藝并嚴(yán)格質(zhì)量控制。
1)采用手工鎢極氬弧焊施焊，以期提高接頭的抗裂性。
2)通過焊接工藝試驗確定合適的焊接規(guī)范參數(shù)，有效控制焊接線能量。以確保焊縫成型良好且熔深不大于2 mm為原則，通過焊接工藝試驗確定焊接規(guī)范參數(shù)。試驗結(jié)果表明，表l中的焊接規(guī)范符合既定原則。
3)焊接質(zhì)量控制要點：施焊前，按DL500792《電力建設(shè)施工及驗收技術(shù)規(guī)范（火力發(fā)電廠焊接篇）》第4.0.5、第4.0.10條要求對待焊工件實施嚴(yán)格清理；施焊時，在確保焊縫成型良好的前提下，力求管子側(cè)低熔深；按JB/T 9218 1999《滲透探傷方法》對所有焊口著色探傷，質(zhì)量達(dá)工級為合格。
6、對策實施效果
2003年10月至2004年2月，該發(fā)電廠按上述方法先后對1#爐、2#爐的中高溫再熱器穿頂密封結(jié)構(gòu)實施了技術(shù)改造，改造后的密封結(jié)構(gòu)自投運至今沒有發(fā)生泄露事故。
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