电站锅炉生命期制造阶段致裂因素和致裂机制研究

　　表1 192例电站锅炉裂纹样本致裂因素按生命期阶段分类及出现频次统计单一阶段或材料因素致裂二个阶段-H材料因素组合致裂三阶段+材料因素致裂合计安装与制造设计使用材料设计+设计+制造+制造+材料+设计+制造材料+制造制造使用使用材料使用+使用+使用19257541971613123182表2192例电站锅炉裂纹与设计、制造、安装使用阶段及材料的相关性分析相关性与制造阶段相关与安装使用阶段相关与设计阶段相关与锅炉材料相关分类独立组合合计独立组合合计独立组合合计独立前言电站锅炉出现裂纹，轻则停机影响发电，重则造成重大事故和经济损失。电站锅炉（以下称锅炉）出现裂纹仅简单处置并不能排除裂纹复现的风险，需要分析裂纹成因并加以改善。实际上，每一例锅炉裂纹都是一个“实验”结果，其数据在实验室中难得。就个体看，影响锅炉裂纹产生的因素千差万别，但裂纹样本数达到一定量级时，就能发现实际存在的锅炉致裂因素集，寻求锅炉致裂因素全集的目的在于通过遍历集合中的元素，防止这些因素复现致裂，实现主动改善锅炉生命期质量的目的。若仅止于分析单个确定的实验环境产生的结果，遇不同条件组合形成的制造和使用环境，很难有完全相符的实验先例可循，而忽略那些已知的条件组合之外的致裂因素，又要承担不可预知的风险。因此，考察尽可能多的裂纹样本，寻求可为更一般条件下利用的致裂因素集非常必要。

　　为了建立锅炉裂纹致裂因素集，搜集了大量出自不同电站锅炉的裂纹实例并对它们的成因进行了分类分析，发现了这些锅炉的致裂因素、致裂机制和它们与锅炉生命期阶段的关联性。这些锅炉的服役环境和受载类型具有一定代表性。

　　1 192例电站锅炉致裂因素按阶段分类及相关性分析锅炉生命期按时序可分为设计、制造、安装与使用、失效等4个阶段。为避免因裂纹影响其安全运行，需要了解锅炉的不同生命阶段中有哪些因素致裂。实际上，锅炉裂纹中，有的是单一因素致裂，有的是一个阶段或多个阶段多因素综合作用致裂。对192例锅炉裂纹致裂因素的阶段属性分析统计后得表1.对表1数据进行处理后得表2.从表2看出，51的锅炉裂纹与制造阶段相关，47与安装使用有关。

　　2 192例电站锅炉裂纹中制造阶段致裂因素和机制对192例锅炉裂纹中制造阶段致裂因素分类统计见表3，表中数据表明，焊后未热处理或热处理不当、焊接工艺过程设计不当、焊缝未熔合或未焊透、焊接应力与残余应力、未预热或预热不均匀、焊缝夹杂或气孔致裂列前六位，占总项次的57.8，前十二项占80.2.表3 192例电站锅炉裂纹中制造阶段致裂因素及出现次数序号影响因素出现例数序号影响因素出现例数序号影响因素出现例数焊后未热处理或热处理不当弯头壁厚不足焊丝中Mn、Cr元素超标焊接工艺过程设计不当未按设计要求施焊安全阀存冶金铸造缺陷焊缝未熔合或未焊透管子浇铸冒口切头不够管材残余应力焊接应力与残余应力管座变径处截面突变膨胀缝中浇注材料脱落未预热或预热不均匀炉底敷料脱落鳍片硬度稍大于炉管焊缝夹杂或气孔安全阀阀芯、阀座过度研磨焊缝及母材硬度值偏高焊接结构不合理隔热层铺设不合要求弯头加工质量异种钢焊接循环回路膨胀受限焊接接头高刚度高应力集中焊接线能量过大防松螺母脱落弯头内壁表面存在缺陷变形约束致热疲劳开裂减温器质量缺陷加工表面刀痕冷却速度过快或过慢减温水喷嘴安装质量差焊前螺栓未拧紧焊条选择不当未加圆角总项次2.1焊后未热处理或热处理不当致裂焊后热处理是为了降低焊接接头的残余应力，改善焊缝及热影响区组织，使淬硬组织得到回火处理，从而提高其组织性能。焊后热处理温度过高会促使碳化物积聚和长大，降低焊接接头强度；热处理温度过低又达不到回火效果。

　　有些材料对焊后热处理有时限要求，至于焊后热处理要在何时完成，需综合考虑材料种类、厚度、接头型式、拘束度等多种因素决定。对有时限要求的，为保证焊缝质量，制造时应制订在时限内完成热处理所要求的工艺措施，如缓冷、消氢等。

　　2.1.1焊后未做热处理致裂焊接残余应力对疲劳强度影响较大。虽然对应力集中系数较低的对接焊缝结构，在循环特性系数（0　　某锅炉低温过热器入口集箱的工作温度为386°C，集箱周围烟气的设计温度为450°C460°C，实际运行中高烟温曾达480°C，但管座角焊缝发生泄漏时，该温度不足以使焊缝材料发生相变。分析发现在管子外壁焊缝热影响区的金相组织中存在马氏体组织，马氏体体容较大，存在较高的残余应力，且脆性大，塑性低，抗变形能力差。检测发现该处显微硬度值远高于基体的硬度值，使管子局部脆性增大，塑性和抗变形能力降低，从而使管座角焊缝热影响区性能下降致裂。调查表明，该集箱在我国沿海城市制作，湿度较大，且为冬季施工，管座角焊缝焊后未进行热处理，实验表明，在焊接过程中若焊接线能量过大时，焊接完成后，角焊缝外表面冷却速度较快，易形成马氏体。

　　2.1.2焊后热处理不当致裂某发电厂在安装前对锅炉复检发现锅炉末级过热器入口汇集集箱隔板（材质12CrlMV，S=25 mm）角焊缝处有裂纹，磨去焊肉后发现集箱母材有10mm深延迟裂纹。

　　焊接时，12CrlMV钢有一定程度的淬硬倾向，在焊接热循环决定的冷却速度条件下，焊缝金属和热影响区可能形成对冷裂纹敏感的显微组织；12CrMV钢含有Cr、Mo、V等强的碳化物形成元素，又易使接头过热区产生再热裂纹倾向。合金成分含量越多，淬硬倾向越大，焊后易得到硬度很高的马氏体组织，马氏体组织具有明显的空气淬硬倾向，使焊缝金属脆性增加。在焊接热循环作用下，经高温过热，焊缝及熔合线附近晶粒急剧长大，加上焊接残余应力作用，极易形成冷裂纹。P91钢与低合金珠光体耐热钢12CrlMV进行焊接时，因2种焊接材料之间含铬量不同，在PWHT期间碳元素从低含铬量材料向高含铬量材料的焊接金属扩散，在低含铬量材料一端形成碳贫化区而在高含铬量材料一端形成碳浓化区（所谓的碳化带）。这些区域的扩散取决于焊后热处理时间和温度。分析认为，热处理工艺不当是产生裂纹的主因之一。

　　2.1.3焊后未做消氢处理或消氢不及时致裂焊接时，溶解在熔池中的氢，在焊缝结晶后，除去以气泡形式逸出外，在焊缝中仍有残余的扩散氢存在。由于氢原子半径很小，在一定时间和条件下，必然要在固态的焊接接头中重新分配，破坏了焊接接头的连续性，在不同的金相组织中，氢以不同速度扩散。这种氢扩散、聚集的结果，就产生了延迟裂纹。一锅炉主汽集汽集箱割伤处次堆焊补平时，用属于酸性的新只312焊条，这种焊条含氢量较大，焊条又未烘干干燥，使焊缝中氢含量大大增加，主汽集汽集箱主汽安全门管孔处堆焊时，焊前未预热，管壁又较厚，使堆焊焊缝冷却速度较快，不利于氢向钢外扩散、逸出，较多的氢留在焊缝中。焊缝中的氢以间歇的形式，不断向热影响区扩散，促使裂纹产生和扩展，这是次堆焊时产生裂纹的主要因素。

　　2.2焊接工艺设计不当致裂某电厂超临界锅炉的水冷壁、包墙密封鳍片采用耐热钢15CrMo，安装前检查发现大量横向和纵向裂纹。据某电厂统计，900MW超临界锅炉5年发生爆管50次。其中22次是由鳍片焊接造成，这为运行留下了安全隐患。

　　纵向裂纹属于焊接热裂纹，在焊缝金属结晶过程中开裂。此裂纹往往发生在整片管屏后施工的几条焊缝，主因是焊接顺序不合理布置，造成焊接应力集中。当应力超过焊缝金属抗拉强度时，导致该类裂纹产生。横向裂纹多发生在点焊处和收弧处，呈横向开裂。在锅炉运行过程中，横向裂纹慢慢扩展延伸，导致水冷壁管拉裂，此类裂纹危害大，而且此类裂纹多较细微，目测难以发现，但都有扩展性。点焊缝裂纹产生的原因，一是点焊质量不佳，点焊缝强度不足；二是与安装工艺有关，在填塞扁铁时，往往先点焊扁钢一头，然后将扁钢锤击就位，再将扁钢切割合适后点焊另一头，2个端点焊缝因此受到很大作用力，容易产生焊接裂纹。

　　―C材质的集箱，裂纹发生在熔合线，其裂纹性质为氢致延迟裂纹。针对P12或SA106―C材料的集箱本体与三通对接环焊缝裂纹基本都在三通侧热影响区，打磨后发现这些裂纹都是浅表的，一般在集箱环缝浅表05mm区域内，此类浅表焊缝裂纹属于焊接冷裂纹。由于焊接集箱环缝上表层都是自动埋弧焊焊接，在焊接盖面过程中后一道焊缝可能是在三通侧，这时焊接线能量较大，而且未采取减缓冷却速度的方法，包括未充分利用“退火焊道”原理，以及未立即进行焊后热消氢处理等，另外，焊接接头薄弱处又是热影响区，由此综合影响造成这些集箱在三通侧产生浅表裂纹。为避免集箱产生此类浅表缺陷，在焊接盖面时要充分利用“退火焊道”原理，在后一道焊缝焊接后，再采用小规范加焊一道，这样在焊接热影响区产生浅表裂纹几率可大大降低。

　　2.3焊缝未熔合、未焊透缺陷致裂某锅炉旋风分离器中心筒焊缝出现裂纹，勘验发现多数裂纹发生在焊接部位，包括加强筋在内的焊接部位出现程度不同的裂纹。通过金相检验发现焊接区存在未熔合缺陷，形成裂纹后沿熔合线扩展。未熔合是指在焊接过程中，焊丝熔化堆积在母材（或上一层焊道）表面上而未与母材熔合在一起。因为焊接区是2种金属的过渡部分，为组织薄弱区，在这些组织薄弱区或未熔合缺陷处容易萌生裂纹或长大，后形成宏观裂纹导致开裂失效。

　　未焊透是在焊接时接口根部金属未全部熔化，也指对接焊缝的深度未达到设计要求。当未焊透深度为截面厚度的67时，计算的大理论应力集中系数为4，在离未焊透底部0.52mm处，实际应力为名义应力的1.72倍。当未焊透深度占截面厚度的50时，计算的理论应力集中系数为23，在离未焊透底部0. 51.0mm处，实际应力为名义应力的5. 58.2倍，说明未焊透是应力集中区域，容易产生裂纹。未熔合和未焊透都会减少焊缝截面积，增大应力，对锅炉的影响就相当于一条裂纹，当焊缝受外力作用时，可能导致构件破坏8. 2.4未预热或预热不均匀致裂（7例）未预热，易造成焊接应力集中。因此，对于有淬硬倾向的钢材或板厚较大的构件，预热是防止裂纹的有效措施。同时预热可降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。

　　氢是焊接冷裂纹产生的主要因素之一，而氢的扩散和聚集需要一定的时间，因此冷裂纹的产生具有一定的延迟性。表明，在预热条件下，氢在焊接接头中扩散的速度明显加快，表现在焊缝金属中的氢浓度快速降低，同时焊接热影响区中氢出现峰值浓度的时间缩短。预热情况下焊接，焊接接头冷却速度减慢，预热温度越高，冷却越缓慢，扩散氢逸出时间越长，热影响区的扩散氢含量越低，这是提高预热温度使裂纹率显著降低的因素之一。

　　2.5焊接应力与残余应力致裂除氧器是火力发电厂的重要压力容器，用于锅炉给水除氧，其运行状况直接关系人身和机组安全。国内外除氧器事故频发，1年就曾有3家电厂除氧器发生爆裂事故。

　　除氧器水箱筒体之间环焊缝连接时，由于组装困难，往往采取强行对口；又因每根焊条施焊距离长，热量小，散热快，冷却速度较大，容易在环焊缝焊接热影响区出现粗晶马氏体和粒状贝氏体，局部硬度偏高（尤其在内壁，一般其X坡口偏向内壁，内壁热影响区硬度比外壁高），焊后不进行热处理，致使环焊缝焊接残余应力（包括组织应力）比纵向焊缝高得多，增大了焊接接头出现裂纹的几率。

　　2.6焊缝中夹杂或气孔致裂对某锅炉再热热段管道疏水管开裂分析时发现，在焊接过程中由于焊缝熔池中的液态金属冷却速度过快，导致焊缝熔池中的少量杂质未完全上浮到焊缝表面而使焊缝组织中存在少量夹杂物，同时焊缝中的各元素没有得到充分扩散，于是组织便出现了偏析，而焊缝与热影响区金相组织中存在的少量马氏体的硬度也比铁素体和珠光体高。在运行过程中，该疏水管管座处承受的应力十分复杂，在周期应力作用下，材料发生微观性形变并在组织偏析和夹杂物等不连续处发生位错塞积，产生应力集中，进而形成显微孔洞。在应力的继续作用下，显微孔洞不断增大、相互吞并继而形成纤维裂纹，随着纤维裂纹不断成长、扩展，终形成宏观裂纹，导致管座焊缝热影响区开裂泄漏。

　　3结语产品全生命期质量不只是一种质量概念，更需要通过具体方法在产品生命期中表达出来。寻求和应用电站锅炉生命期致裂因素全集避免裂纹复现就是在产品上实现这种表达的基础工作之一，也是培养工程师的全生命期质量意识的新的有效方法。这种质量方法一旦在锅炉产品中应用并纳入质量保证体系，对改善锅炉生命质量无疑是有益的。