2#锅炉过热器连接管裂纹浅析及消除

黄启明 魏万高

摘要：兰州石化公司动力厂2#锅炉使用的是无锡华光锅炉股份有限公司生产中压电站锅炉，2015年1月份开始投入试运行，2017年1月下旬份发现过热器连接管处发生泄漏，经过简单补焊、热处理后；运行8天左右此处又开始泄漏，由于管线温度和现场位置等因素，带压堵漏技术不适用于在此高温情况下，最后停炉检查，经多方查找原因和分析故障发现原因是由于焊接工艺执行不到位引起的延迟裂纹，浅析发生15CrMo焊缝延迟裂纹产生的情况。

关键词：15CrMo，延迟裂纹，焊接工艺

一、引言

动力厂动力车间2#锅炉为中压电站锅炉，额定负荷130t/h，过热蒸汽压力3.82MPa，过热蒸汽温度440～450℃。2017年1月下旬，2#锅炉过热器联箱最南侧高温过热器出口蒸汽连接管（φ133×6，15CrMoG，共6根）与过热器集汽联箱支管座（该φ133×8，15CrMoG）焊口处，出现长约5厘米左右裂纹。

针对此情况，车间组织相关单位对此焊缝裂纹紧急处理，本次处理仅是将存在明显裂纹的焊缝打磨消除，重新对此按照15CrMo焊接工艺要求加热，焊缝焊接、焊后热处理处理，在热处理完毕后，2#锅炉立即复工投入运行。

2月初岗位人员再次巡检时发现该管段焊缝处再次出现泄漏，2#锅炉立即停炉对此问题全面检查。

二、故障成因分析

2.1 对该问题管线焊缝两侧母材和焊缝的进行了硬度检测分析；见下表：

对以上结果进行分析发现，焊缝处的硬度明显高于两处母材的热影响区，根据前期焊接的资料，发现此管段焊接也是采用了R307焊条进行施工。在正常情况下，R307与两处母材的较为相近，而现在母材硬度与焊缝硬度相差很大，由此推断此该管线裂纹为冷裂纹。

2.2 从2#锅炉过热器联箱管座与支管焊缝泄漏处特征观察，和对焊缝周边进行了敲击检查发现，此裂纹形态呈树枝状，并且已经向母材延伸，根据相关经验推断过热器连接管裂纹为冷裂纹。

三、冷裂纹的产生机理

3.1钢材的淬硬倾向

钢材的淬硬倾向越大或马氏体数量越多，越容易产生冷裂纹，因马氏体是碳在α铁中的过饱和固溶体，是一种硬脆组织，发生断裂只需消耗较低的能量；因此在实际使用中，尽量选用钢材淬硬倾向小的，降低冷裂纹发生的机率。

3.2 焊接接头中的氢含量及其分布

氢在铁中的溶解度随温度变化很大，并在凝固点发生突变。由于焊接熔池很快由液态凝固，多余的氢来不及逸出，结果就以过饱和状态存在于焊缝中。焊缝中过饱和状态的氢处于不稳定状态，在含量差的作用下会自发地向周围热影响区和大气中扩散，这种浓度扩散的速度与温度有关，在一定温度区间（约-100℃～100℃）氢的作用才显著，如果同时有敏感组织和应力存在，就会产生冷裂纹。

在预热条件下焊接时，由于在冷裂纹敏感温度区间之上停留时间（t100）较长，大部分氢已在高温下从焊接区逸出，降至较低温度时，残留的扩散氢己不足以引起冷裂纹，这就是预热可防止冷裂纹的原因之一。

3.3 焊接接头的拘束应力状态

3.3.1 热应力

在接头上不同位置的热应力其方向和大小是随焊接热循环而变化，冷却后在接头上留存着残余应力，其大小及分布决定于母材和填充金属的热物理性质、溫度场以及结构的刚度等，其最大值可达母材的屈服点σs。

3.3.2组织应力

高强度钢奥氏体分解时，析出铁素体、珠光体、马氏体等组织，由于它们具有不同的膨胀系数，引起了局部体积变化，从而产生组织应力。

3.3.3拘束应力

指的是接头受到外部刚性拘束，焊件收缩不自由而引起的应力，它的大小与结构的厚度和拘束度等合关。

四、消除冷裂纹焊接工艺制定

4.1 15CrMo 15CrMo耐热钢母材性能

4.1.1母材性能

15CrMoG耐热钢，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。

4.1.2 材料焊接性分析

主要根据材料的淬硬性程度方面来评定，因为材料的淬硬性倾向越大，越容易产生冷裂纹。依据国际焊接协会推荐的碳当量计算公式及判据：

将表1数据代入上式，求得CE=0.43～0.68%；

依据该判据，当其碳当量CE≤0.4%时，材料的可焊性较好，在母材厚度≤25时，可焊性良好，不需要进行预热也能焊接，且不裂。当CE>0.4%时，钢材的淬硬性倾向明显增加，具有明显的冷裂倾向。

通过以上分析认为，15CrMo这种材料的淬硬性倾向比较明显，易产生冷裂纹；在不制定严格的焊接施工工艺的情况下，焊缝极易发生延迟裂纹，给设备平稳、正常运行带来较大隐患。

4.1.3冷裂纹消除措施

根据上述分析，冷裂纹主要与所使用的材料有关，与焊接接头处的氢含量有关以及母材的厚度均有一定的关系。当材料确定的情况下；必须对焊接工艺严格制定，将冷裂纹产生的影响因素降到最低。

1）焊前预热

查阅相关资料，根据相关单位的试验情况，15CrMoG，δ=8mm预热温度在150～200℃，先利用电加热器进行焊前预热，预热的目的在于减小母材与焊缝之间的温度梯度，降低焊缝的冷却速度，溢出焊缝中的过饱合氢，降低氢作用下的冷裂纹出现。

预热范围不小于100mm，预热后将被焊其余部分保温，在此温度下使用钨极氩弧打底，且打底一次性完成，然后用R307焊条进行盖面焊。

在焊接过程中，利用电加热器保证道间温度与预热温度一致，防止中断焊接造成的焊缝温度降低。

焊后应立即热处理，即消氢处理，用氧乙炔火焰加热工件，加热温度在300～500℃保温1h后缓冷焊后局部热处理，根据JB/T6045—1992推荐的焊后热处理制度，高温回火的保温温度为600℃，最短保温时间为δ/25=8/25=0.32h。

按照以上的焊接工艺，对2#锅炉过热器连接管裂纹焊缝打磨平整后，重新焊接处理，X射线探伤根据JB4730-2005标准评定，为Ⅱ级，评定结果为：合格。

五、结论

1、15CrMo的淬硬性是因其钢材本身特性所决定，通过合理的焊前热处理，焊接工艺，焊后热处理可以有效的避免冷裂纹的产生。

2、在今后工作中，针对具有冷裂倾向的材质，要求施工单位提供详细的焊接及热处理工艺，车间对其工作过程抽查，把因不严格执行热处理工艺形成的冷裂纹彻底杜绝。

参考文献：

[1]钱昌黔《耐热钢焊接》【M】北京.水利电力出版社1988

[2]李亚江，王娟，刘鹏.低合金钢焊接及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2003.