超临界机组小径厚壁包墙管焊接接头裂纹分析与控制

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摘要：本文以某发电厂2×660MW“上大压小”工程为例，通过对现场小径厚壁的包墙过热器管安装焊缝裂纹分析和控制，制定出预防和控制裂纹形成的措施应用于本工程的施工，对其它超临界机组中材质、规格类似情况的焊接施工具有指导意义。

关键词：小径厚壁 包墙管 裂纹

1、前言

某发电厂2×660MW“上大压小”工程，锅炉由东方锅炉（集团）股份有限公司设计制造；

型号：DG-2030/25.4-Ⅱ9；型式：超临界参数变压直流本生锅炉，一次再热、单炉膛、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热气温，固态排渣，全钢构架、全悬吊机构，平衡通风、露天布置，前后墙对冲燃烧。

随着超临界机组容量增大参数的提高，包墙过热器管子具有管壁厚、管径小、管间距小等不同于亚临界机组的特点，基于以上特点，施工过程中采用合适的焊接工艺和选择正确的焊接方法是保证焊接质量的基础。本工程包墙过热器管子规格为φ38.1×9，材质为15CrMoG，管间距为95.2mm，焊材选用TIG-R30，焊接方法为GTAW焊（钨极氩弧焊）。

2、现状

某发电厂2×660MW“上大压小”工程，包墙过热器安装分为两部分，一部分地面组合，一部分高空组合。地面组合焊口的焊接位置均为吊口（5G或5GX），安装过程中通过射线透照发现多数焊缝在正12点位置的近根部出现垂直于焊缝轴向的横向裂纹，裂纹长度约为5mm～10mm，深度约5mm～7mm。裂纹的具体形式如下图1、2所示，图1为射线底片显示的裂纹形式，图2为图1裂纹缺陷处的局部放大图，图3为焊缝在处理过程中通过着色显示的裂纹形式。

3、15CrMoG钢材的应用及焊接性分析

3.1 15CrMoG钢在超临界机组中的应用

15CrMoG钢材主要广泛应用在超临界机组锅炉的包墙过热器、低温过热器、低温再热器以及水冷壁等承压部件上。而以上这些部件均属于锅炉的受热面部分，长期在高温高压的状态下运行，对焊缝以及焊缝热影响区的强度、冲击韧性和耐热性要求很高。

3.2 15CrMoG钢母材性能

15CrMoG属于珠光体低合金耐热钢，其金相组织为珠光体+铁素体，在高温下具有较高的热强性（Rm≥440MPa）和抗氧化性，并具有一定的抗氢腐蚀能力。其主要化学成分和力学性能见下表1.

3.3焊接性分析

根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式，计算出15CrMoG 钢的碳当量来近似判断15CrMoG 钢的焊接性。计算如下：

4、裂纹形成的原因

由于在施工现场施工和理论上有很大的差距，下面就现场实际施工过程中包墙过热器管对接焊缝形成裂纹的原因做一一分析：

4.1焊前预热不到位，根据DL/T819-2010规程要求，在管材壁厚≥15mm时按照规程提供的150℃～200℃进行预热，如果在负温下焊接时其它规格的低合金管材也应适当进行预热。而包墙管的规格为φ38.1×9，且本工程施工时机恰好处于冬季，因此焊前预热温度难以把握可能是形成裂纹的原因之一。

4.2每一层焊道的收弧位置影响，多数焊工在施焊时每一层最后的收弧位于焊缝的正12点位置，这就造成每一层的应力集中点位于焊缝正12点位置，会使多层应力集中进行累加，使得焊缝的正12点位置有形成裂纹的倾向。

4.3每一层焊道在最后收弧处熔合不良影响，由于每一层焊道最后的收弧位置是整个焊缝应力最集中的一点，如果在收弧处出现熔合不良，焊缝在冷却过程中发生收缩，在收缩应力的作用下极有可能在熔合不良处的薄弱点形成裂纹。

4.4焊接线能量的影响，由于φ38.1×9的包墙管壁厚大，焊工为了追求效率在焊接过程中就会出现填充层的厚度太厚，而要想提高效率增大填充层熔敷金属的厚度就必然增大焊接电流，随着电流的增大就会造成焊缝热影响区附近产生过热组织，使晶粒粗大，降低焊缝的抗裂性能而导致裂纹的产生。

5、防止裂纹形成的控制措施

5.1针对焊前预热不到位，在施工过程中首先将施工位置的环境温度提高到0℃以上，尽管是氩弧打底，但预热时要依照标准要求保证坡口处的温度保证在150℃～200℃。用便携式测温枪进行测量坡口两侧的温度，确保施焊前坡口两侧的温度符合规程要求。

5.2大多数焊工在焊接吊口位置的焊口时，习惯性每一层焊道的收弧位置位于焊缝的正12点位置。因此为了避免类似情况发生，在施工前一定做好技术交底工作，让每一位施工人员明白其中的利害关系。保证每一层焊道最后的收弧位置要错开5mm以上。

5.3防止每一层焊道最后收弧位置熔合

不良的方法是适当提高焊接电流，减小焊接速度，同时要控制给丝量，必须保证铁水流动性，熔池清晰，熔合良好时方可收弧。

5.4 控制焊接线能量，首先制定与现场施工相适应的焊接工艺，对于规格为φ38.1×9的包墙管来说，如果按照传统的施工习惯就会用三层将焊缝焊完，即：打底层、填充层和盖面层，这样势必会增大每一层熔敷金属的厚度。因此在施焊过程中除了打底层和盖面层外，要至少使填充层增加为两层。同时要采用适当的焊接工艺参数，下表2为作者建议使用的焊接工艺参数。

6结论

对超临界机组的小径厚壁包墙管现场进行焊接施工时，保证环境温度在0℃以上，采用的预热工艺去掉外界因素影响后符合规程要求，使用小的线能量，避免应力集中的累加；同时保证焊道收弧处熔合良好，控制每一层熔敷金属的厚度，并根据15CrMoG钢材焊接性严格执行其相关的工艺参数。最终获得表面成型美观、组织性能优良的焊接接头，完全可以解决超临界机组的小径厚壁包墙管在现场焊接控制裂纹的形成。

参考文献：

[1]中国电力科学研究院，DL/T819-2010，火力发电厂焊接热处理技术规程，北京，2004年

[2]东方锅炉股份有限公司，S2N-SM，某发电厂#1机组锅炉设计说明书，四川，2011年

[3]黄向红，焊接技术第39卷第7期，15CrMoG耐热钢的焊接工艺分析及应用，天津，2010年