火电厂除氧器水箱焊缝裂纹原因分析及焊接修复

火电厂除氧器水箱焊缝裂纹原因分析及焊接修复
摘要：针对某电厂除氧器水箱16Mng 焊缝发现的裂纹问题, 较全面地分析了裂纹产生的各种原因；采用J507RH 冷焊工艺进行了缺陷的修复，缩短施工工期，为同类压力容器的裂纹处理提供了可借鉴的经验。

关键词：除氧器；水箱；焊缝裂纹；冷焊修复
1．概况
某发电厂 #1 ～ #4 机组除氧器材质为 16Mng 钢，水箱内径为Ф3500mm，筒体 / 封头壁厚为 14/14mm。

近几年来的除氧器运行和容器检验过程中，发现除氧器泄漏和焊缝裂纹普遍性发生，2006 年 3 月大修中又发现#1 除氧器裂纹 4 处，为确保在役除氧器的安全运行，在分析其裂纹产生原因的基础上，进行了现场焊接修复。

2.除氧器水箱裂纹情况
除氧器水箱裂纹分布在筒体封头制造焊缝、接头热影响区及筒体两部分组合安装中环焊缝、接头热影响区部位，典型裂纹宏观照片见图 1。

对裂纹贯穿壁厚的缺陷，应制备X 型坡口双面焊接。

（3）坡口及其周围 100mm 范围内表面打磨出金属光泽 , 并不得有水分、油和锈迹等污物。

4.2.3焊接方法及焊接材料
（1）焊接方法手工电弧焊
（2）焊接材料J507RH 焊条规格：Φ2.5mm、Φ3.2mm。

焊前焊条按说明或 300℃～ 350℃下烘焙 2h，并放入焊条保温桶，随用随取。

4.2.4焊前准备和预热
采用氧乙炔中性火焰从除氧器外部局部对待补焊坡口预热，温度为 120℃～ 170℃，焊接时层间温度不高于 300℃。

加热范围大于被焊区四周约 100mm，火焰焰心距离工件 10mm 以上，加热要均匀，烤把不得停留，并用石棉布和矿砂棉进行保温，使用数字式红外表面温度仪测温。

4.2.5焊接工艺规范参数（见表 1）
表 1 除氧器水箱裂纹焊接修复规范参数
图 1 除氧器水箱裂纹
3.裂纹原因分析
3.1除氧器裂纹特征
裂纹主要发生于水箱内壁水位线以下的焊缝及热影响区 , 最易发生的部位是环焊缝与支撑结构加强圈的焊缝附近。

裂纹起源于水箱内壁的焊缝表面及熔合线附近, 然后向焊缝两侧及外壁扩展。

3.2裂纹原因分析
3.2.1材料焊接性
除氧器水箱 16Mng 的碳当量为 0.467%，具有一定的冷裂敏感性，且在焊接热循环和应变循环时易引起热应变时效脆化，表现出较强的缺口敏感性。

3.2.2焊接工艺
除氧器水箱封头及筒体在制造和安装过程的强力组装及预热、焊后热处理不当，焊接接头残余应力增加，焊接接头富氢、产生应力腐蚀敏感会显著增加。

3.2.3结构应力
除氧器水箱封头的钢板拼接制造工艺及筒体采用多条内置式钢环支撑加强圈结构，不仅增大了现场组装焊缝焊接的拘束度，而且由于水箱筒体和内环刚性支撑之间的线膨胀量和方向不一致，导致结构内应力增大，从而成为促使焊缝开裂的外部客观原因之一。

3.2.4环境因素
除氧器水箱焊接接头裂纹是在汽水腐蚀环境下，在焊接缺陷、热影响区的薄弱部位或腐蚀坑处，由于局部高的静拉伸应力和动态交变应力的作用下产生的。

焊缝和母材原始表面缺陷对裂纹的敏感性是裂纹产生和扩展的根本原因，裂纹属于应力腐蚀疲劳性质。

4．焊接修复工艺
4.1修复焊接工艺评定
为了验证除氧器补焊工艺的可行性，进行了 16Mng 钢材进行了平焊（1G）、立焊
（3G）、横焊（2G）板状试件对接焊工艺评定试验，试验检验结果表明：采用超低氢高韧性同质焊条手工电弧冷焊方法，补焊焊缝内外部质量及破坏性力学性能试验达到电力行业DL868 － 2004 焊接工艺评定标准相关补焊技术要求。

4.2焊接修复工艺
4.2.1裂纹缺陷位置、尺寸的再次确认
在挖除裂纹前，对缺陷部位再次标记探伤确认，以防止错挖、漏挖缺陷；同时应已着色探伤检查判断裂纹是否完全清除。

4.2.2裂纹缺陷的清除和坡口的制备
（1）缺陷清除之前根据裂纹表面张开尺寸大小，横向裂纹必要时使用Φ7.5mm 钻头，在裂纹尖端前约 5mm 处打止裂孔，止裂孔深度大于裂纹最大深度。

（2）采用角向磨光机沿裂纹缺陷打磨，逐渐扩宽，直至打磨掉全部缺陷，避免坡口过宽，坡口按裂纹走向开设，坡口形式不应有急剧变化，圆角处可用电磨头进行修磨，以减小焊接应力和填充金属量；
4.2.6 焊接操作技术
参加焊接修复的焊工由取得 II 类材质大管焊工承担，具体操作技术如下：
（1）底层焊接选用Φ2.5mm 焊条，小规范，连续焊，焊条不摆动，一个焊波要覆盖前一焊波的 40% ～ 50%。

底层补焊完成后，缓冷至室温，清渣检查，无表面缺陷后再进行填充焊接。

（2）填充焊采用Φ3.2mm 焊条多层多道焊，分段退焊，层间温度不允许超过 300℃ , 收弧时应待弧坑填满后熄弧，接头应错开。

双面焊接时背面应清根，并同时由两名焊工在除氧器内外对称施焊，以减小焊接应力和变形。

（3）锤击焊缝减小焊接应力
为防止焊接温度分布不均和不对称引起的应力，采用锤击焊缝的工艺施焊，以期达到最大限度减小焊接残余应力的目的。

每道焊缝进行跟踪锤击，锤痕应紧凑整齐，避免重复。

（4）焊接完毕，用角磨机等打磨焊缝表面与母材平齐并过渡圆滑。

（5）焊后处理
每条焊缝裂纹补焊修复结束后立即用氧乙炔火焰从内、外部同时加热，加热到 150℃～200℃恒温一段时间，然后使用保温棉及石棉布将补焊区包扎保温，自然冷却至室温。

4.3焊后质量检验
（1）外观检查及着色探伤
焊接过程及焊后对焊缝用低倍放大镜 100% 检查，未发现裂纹、气孔等表面缺陷。

补焊区着色探伤未发现显示缺陷。

（2）内部质量检验
焊接接头冷却至环境温度，对补焊区进行了 X 射线内部探伤，补焊质量均达到电力行业DL821-2002 无损检验 II 级合格标准。

（3）硬度检验
在焊缝表面及热影响区处用角向磨光机磨出宽度为 25mm~30mm 的区域，硬度值小于HB270，并与母材硬度差不大于HB100。

5结论
5.1除氧器水箱裂纹的产生、扩展是水箱材质、焊接质量、水箱内介质等多方面原因造成的。

除氧器水箱焊接接头裂纹是在局部焊接缺陷形核、产生，在应力、腐蚀、疲劳共同作用下，撕裂扩展，裂纹为应力腐蚀疲劳裂纹。

5.2采用低温冷焊、锤击消应力以及焊后缓冷消氢处理工艺，简化了焊接工艺，缩短了施工工期，成功实现了该除氧器压力容器裂纹的补焊修复，机组至今运行稳定。

参考文献
[1]16MnR 钢高压除氧器焊接接头裂纹的成因王少清张宝昌焦伟葛兆祥《焊接学报》1994 年 3 月
[2] 除氧器水箱焊缝裂纹防止措施王俊涛钟志民等《四川电力技术》1999 年 3 月。