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超超临界1000MW塔式锅炉T23钢水冷壁裂纹原因分析赵建仓苏州热工研究院电站焊接技术研究所2009.7T23钢水冷壁组件裂纹情况概述塔式超超临界锅炉整体外观典型泄漏处形貌T23钢的焊接性能T23钢的的焊接性能比其前身T22/P22、钢102优越。T23钢对冷裂纹的敏感性较低;有一定再热裂纹倾向;但热裂纹倾向很小。T23钢高温性能T23钢的许用应力在540~580℃时是T22钢的1.8倍左右,是12Cr1MoV钢的1.3倍左右,与我国的钢102的许用应力相当(小于570℃时,其许用应力比钢102高近8%;大于570℃时,T23钢不如钢102),使用温度高达620℃。在540℃时,其许用应力与T91钢相当,随着温度的升高逐渐低于T91钢,其强度在490~525℃之间时高于T91钢。T23钢高温下0.2屈服强度T23钢高温下抗拉强度T23、T22、T91的基本许用应力值比较水冷壁组件T23钢材料及性能分析T23钢水冷壁构件结构残余应力测试——测试方法小孔释放法只需要在工件表面钻取一个孔径和孔深都为2mm的小孔,对构件损伤很小,不像普通机械切割测量方法那样具体较大的破坏性;另一方面,小孔法的测量精度较高,因为小孔法的测量理论可靠,传统力学可直接求解,测量结果有较高的可信度。基于上述考虑,本研究采用了小孔法进行焊接残余应力的测定。T23钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试测试内容对锅炉的对应位置进行焊缝残余应力测试,现场测试情况如图所示。测试位置选择了出现泄露较多的40m~70m标高区间,共选择两处标高,分别为49m标高和59m标高位置进行应力测试。在49m标高选择拐角过渡梁焊缝处2个测点,直段过渡梁焊缝上2个测点;59m标高处选择了拐角过渡梁焊缝上2个测点;本次测试共检测了6个测点位置的焊接残余应力状况。现场水冷壁残余应力现场测试情况T23钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试炉前侧59m1#角测点1测点2测点分布炉前侧49m1#角测点6测点5测点3测点4表1059m高程测点残余应力测试结果测试结果从测试结果看,6个测点的应力水平普遍偏高,最高的2号测点最大应力达387MPa,已经接近T23钢的材料屈服极限,5号测点也达到了352MPa。应力值最小的测点是4号测点,为118MPa。其余测点的最大主应力值在200MPa-300MPa之间浮动,可见所测点应力值均偏高。(1)水冷壁与刚性过渡梁角焊缝位置的应力水平较高,最大测点处接近材料的屈服极限,其余测点应力大小分布于200MPa-300MPa左右。(2)焊接接头应力水平与焊接结构拘束度较高有密切关系,而焊后未热处理使得峰值应力难以缓解。(3)力学因素是水冷壁焊接接头产生裂纹或泄漏的主要影响因素,较高的应力水平和应力集中容易诱发焊缝及焊缝附近区域产生裂纹或泄漏等。结果分析T23钢水冷壁构件结构焊接残余应力测试T23钢水冷壁构件结构现场硬度测试焊缝硬度测试位置现场硬度测试焊缝位置与焊接残余应力测点相同。选择相同测点的目的,是为了将水冷壁应力分布情况与焊接接头的硬度联系起来,综合分析裂纹产生与残余应力分布情况以及焊接质量之间的关系。受检母材位置受检焊缝位置(1)鳍片与管子的角焊缝处母材和焊缝硬度处在较低水平,其中T23管子母材的硬度均分布在HB130-HB140左右(而DL438的硬度控制范围HB150-HB220,现场测量值存在一定偏低),而与鳍片焊缝处的硬度大多分布在HB200-HB220之间。(2)结合残余应力测试的结果,虽然测点2及测点5的残余应力较高,最高的2号测点最大应力达387MPa,已经接近T23钢的材料屈服极限,但是这两个测点的硬度并没有出现明显增大的情况。这一现象说明水冷壁裂纹或泄漏的产生与水冷壁整体结构应力水平较高及焊接结构拘束度较大有更为密切关系,而由于T23钢焊接接头淬硬组织导致水冷壁裂纹的关联度较低。#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析#5炉左水冷壁102m外侧(背火面,制造厂焊缝)漏点位置#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析金相结果表明,泄漏管向火面的组织为贝氏体,晶粒度为3-5级,含裂纹的背火面组织有混晶特征,晶粒度为3~8级。该处母材金相组织存在晶粒粗大和严重混晶现象,而在取样直管母材金相检验中并未发现此现象,因此可以认为该批水冷壁用T23管子存在一定的质量不稳定现象,但这与本次水冷壁大量出现泄漏无直接关系,它可能会影响使用寿命的长短。硬度检测结果表明,母材硬度处在正常范围,但所取焊缝硬度值均在较低水平,无明显存在淬硬组织现象。裂纹在水冷壁管背火面,主裂纹起源于焊缝与母材夹角,从外壁粗晶区向内进行扩展,裂纹尖端位于细晶区。主裂纹较宽,宏观发展方向同结构应力方向一致。但沿熔合线的粗晶区存在晶界弱化现象,晶界处有碳化物析出,如果在应力的进一步作用下,此处将产生沿晶裂纹。#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析螺旋水冷壁65m处镶嵌板焊缝处泄漏(安装焊口)#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析漏点位于水冷壁管子与镶嵌板焊缝处,位置在与刚性梁焊缝附近,此处结构应力较大。可以看出,对漏点打磨后进行宏观检验,可以看出漏点附近有裂纹存在,如图中箭头所指处所示。但对该裂纹处进行解剖并观察,进行微观金相检查,表明其焊缝区域金相组织正常,并未发现裂纹向焊缝内部贯穿,这表明打磨过程中可能已将部分裂纹去除。漏点附近焊缝区域硬度值正常。结合图示漏点取样管位置结构图,初步可以认为,该处漏点产生的原因可能是由于焊接时未控制好焊接成形,并且与该处结构复杂、残余应力较大有关。#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析螺旋水冷壁49m转角处向火面管子与鳍片角焊缝泄漏及取样管位置裂纹#5炉裂纹现场取样裂纹试样分析漏点位于水冷壁向火面管子与鳍片角焊缝处。从微观金相检验中也可以看出裂纹在水冷壁管向火面,主裂纹起源于焊缝与母材夹角处,从外壁粗晶区沿热影响区向内进行扩展,裂纹尖端止于细晶区。主裂纹较宽,宏观发展方向同结构应力方向一致,主裂纹附近有一条次裂纹,也起源于焊缝与母材夹角附近,但长度较短宽度较窄。并且裂纹处存在氧化现象。T23钢水冷壁组件出现裂纹原因综合分析T23钢材料及其焊接性分析1.T23钢的冷裂纹倾向根据住友及V&M等有关资料介绍,T23钢对冷裂纹的敏感性很低,其无裂纹倾向的预热温度为室温20℃,在焊接薄壁、小直径锅炉受热面管子时,若环境和工件温度在20℃以上,就可以不做焊前预热。并据有关试验结果显示,根据斜Y型拘束裂纹试验得到,裂纹敏感性大致是按T23—》P91—》T22的顺序依次增大。但是根据上锅厂生产实践表明,T23钢有一定的冷裂倾向,试验结果如图所示。因此对于厚壁大拘束构件的焊接,还是推荐做适当的预热,可有效的防止厚壁大拘束情况下冷裂纹的产生。2.扩散氢的影响焊接过程中焊接材料母材表面及保护不好均会使焊缝金属氢含量增高,而扩散氢会导致氢脆,促使冷裂纹倾向增大。随着钢材碳含量CE的增大,氢脆敏感性必随之增大。T23钢水冷壁现场安装焊接的过程中,由于现场处在海边,空气湿度大,条件比较恶劣,母材及焊接材料不可避免的存在潮湿等污染,从而在焊接过程中引入扩散氢,并且在安装焊接的过程中未进行焊后热处理,从而使其扩散氢含量有可能增大。T23钢水冷壁组件出现裂纹原因综合分析2.T23钢再热裂纹倾向据文献报道,上海锅炉厂曾进行了“HCM2S钢(T23钢)再热裂纹敏感性试验研究”的相关工作。通过斜Y型拘束焊接试验方法对T23钢的再热裂纹敏感性进行了试验研究。试验GB4675.1斜Y型拘束试验方法,对日本和国内生产的两批T23钢进行焊接性试验。试验用焊条牌号为HCM2S,焊条直径Ф3.2mm,焊接方法为SMAW。试验结果如图所示,结果表明,在600℃到760℃之间T23钢均有不同程度的裂纹产生,比普通低合金钢的再热裂纹敏感温度区间(500℃-700℃)高60℃-100℃,最敏感的温度范围是690℃-760℃。并且,在相同的再热温度下,预热温度越高,再热裂纹率低,可见提高预热温度可在一定程度上避免再热裂纹的产生。可见,T23钢有明显的再热裂纹倾向,最敏感的再热温度为690℃-760℃。并且据有关资料表明,T23钢的再热裂纹敏感性远高于T22钢的再热裂纹敏感性。因此当在必须对T23钢进行焊后热处理时,可适当通过采取以下措施避免再热裂纹的产生。3T23钢热裂纹倾向性本T23钢水冷壁制造过程中采用的T23钢的有害杂质S≤0.004%、P≤0.012%(常宝钢管),S≤0.002%、P≤0.004%(上锅厂),采用焊接材料的有害杂质S≤0.007%、P≤0.013%(韩国现代),S≤0.007%、P≤0.013%(上锅厂)。而在安装过程中采用的焊接材料的有害杂质S≤0.007%、P≤0.012%(上海电修厂),S≤0.005%、P≤0.007%(浙江华业)。由于所用母材及焊接材料的有害杂质含量微量,不易导致形成一定量低熔点共晶体,因而未满足热裂纹的必要条件,尽管T23钢水冷壁整体结构应力较大,但不易导致热裂纹产生。综上可知,水冷壁材料T23钢中S、P等有害元素含量极少,所采用的焊接材料S、P等有害元素含量也较低,难以形成低熔点共晶体的液态薄膜,不具形成热裂纹产生的必要条件,因此T23钢水冷壁管接头及鳍片焊缝等产生热裂纹可能性较小。T23钢水冷壁组件出现裂纹原因综合分析(1)通过对T23钢材料本身的焊接性分析并借鉴有关资料报道的焊接性试验研究结果表明,该钢具有一定的冷裂纹倾向,在T23钢结构拘束度大以及应力集中处如水冷壁,焊接工艺欠合理及焊后未消应力处理的情况下,会导致冷裂纹的产生。水冷壁T23角焊缝裂纹,现场安装焊接接头产生冷裂纹倾向更大。(2)T23钢的理论分析及实验研究表明,该钢再热裂纹敏感性远大于T22钢,与国产的刚102有相似之处。当焊接线能量偏大,结构拘束应力大,焊接接头应力集中且存在缺陷等,焊后热处理工艺采取防止再热裂纹不够的情况下会导致再热裂纹的产生。水冷壁T23大量鳍片与管子角焊缝裂纹或泄漏,制造厂焊接的接头角焊缝裂纹属再热裂纹的倾向性更大。(3)T23钢因C及S、P等易导致热裂纹元素含量低,故产生热裂纹倾向性很小。T23钢水冷壁组件出现裂纹原因综合分析水冷壁裂纹的特征1.裂纹位置裂纹泄漏部分以鳍片与管子的角焊缝处最多,占59.3%刚性过渡及支撑的钢结构与管子角焊缝裂纹或泄漏占28.1%2.裂纹尺寸裂纹尺寸及长度较小在几个到十几个毫米,未见长度较大的裂纹。裂纹的性质:再热裂纹锅炉厂焊接的向火侧鳍片与管子角焊缝及T23对接接头的裂纹等,其特征应属于再热裂纹。冷裂纹现场安装刚性结构与管子角焊缝裂纹,其特征属于冷裂纹(延迟裂纹)。。金相组织情况金相结果表明,泄露管向火面的组织为贝氏体,晶粒度为3~5级,含裂纹的背火面组织有混晶特征,晶粒度为3~8级。该处母材金相组织存在晶粒粗大和严重混晶现象,而在取样直管母材金相检验中并未发现此现象,因此可以认为该批水冷壁用T23管子存在一定的质量不稳定现象,但这与本次水冷壁大量出现泄漏无直接关系,它影响的是使用寿命的长短。硬度检测结果表明,母材硬度正常,所取焊缝硬度值均在较低水平,无明显存在淬硬组织现象。锅炉制造厂的T23钢水冷壁裂纹或泄漏在水冷壁管背火面及向火面,主裂纹起源于焊缝与母材夹角(焊趾),从外壁粗晶区向内进行扩展,裂纹尖端位于细晶区。主裂纹较宽,宏观发展方向同结构应力方向一致。但沿熔合线的粗晶区存在沿晶微裂纹,主裂纹附近的细晶区也存在沿晶开裂,该裂纹属于再热裂纹。T23钢水冷壁组件出现裂纹原因综合分析初步建议锅炉水冷壁设计方面通过本次项目分析可知,T23钢水冷壁焊接接头的裂纹或泄漏的主要矛盾是该膜式水冷壁结构而导致的应力很大产生。特别是四个螺旋转角处,可否适当加大转角角度以降低应力集中及该部位的结构强度;另外在保证强度的前提下适当降低多个焊缝的设计尺寸,以降低焊接量,达到降低焊接应力的目的。锅炉制造工艺方面1锅炉制造的结构尺寸及材料质量锅炉制造厂应尽可能使水冷壁各片尺寸符合设计图纸要求,特别是密封盒四个转角处,应为安装单位在现场组合尽量减少切割,从而降低强力组装或出现组装间隙过大
本文标题:1000MW锅炉T23钢水冷壁裂纹分析
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