1、工程概述

漕泾项目锅炉设备是由上海锅炉有限公司引进德国ALSTOM技术而设计制造2X1000MW一次再热、平衡通风、露天布置、液态排渣、全钢构架、全悬吊结构塔式超超临界参数变压直流锅炉。

2、水冷壁设计结构特点

炉膛尺寸：21480×21480mm,大板梁顶部标高：+127560mm。炉膛由管子膜壁组成，水冷系统采用下部螺旋管圈和上部垂直管圈的形式，从炉膛冷灰斗进口标高+40500mm到标高+69225mm处炉膛四周采用螺旋管圈，螺旋管圈分为灰斗部分和螺旋管上部，垂直管圈分为垂直管下部和垂直管上部。螺旋段水冷壁由716根Ф38.1×6.8mm，材料为SA213-T23的管子组成，其节距为53mm。螺旋段水冷壁经过渡连接管引至水冷壁中间集箱，经中间集箱混合后再由连接管引出，形成垂直段水冷壁，两者间由锻件结构制成的管子连接而完成炉墙的密封。垂直段水冷壁下部由1432根Ф38.1x7.3mm的管子组成。垂直段水冷壁上部由716根Ф44.5x7.3mm的管子组成，垂直管圈之间的过渡段通过Y型三通来实现。其材料均为SA213-T23。沿炉膛高度方向布置前、后各35层刚性梁、左右各25层刚性梁，并且螺旋段水冷壁和垂直段水冷壁管子上有大量的铸铁填块、连接板和刚性梁的拉板铁件焊接。设计结构刚性大，热态膨胀束搏力也大。应力大都集中在炉膛横截面的四个角范围。同型锅炉的外三工程和宁海工程都是在炉膛燃烧区范围的四个角经常出现泄露。

3、水冷壁焊接工程策划和管理

标高40m至70m螺旋水冷壁是处于锅炉燃烧区。也是锅炉热强度和热负荷的最大空间。锅炉厂对这种塔式结构锅炉的设计、制造程序、焊接工艺没有妥善控制和处理好有，既而导致外高桥三期和宁海这两个项目四台锅炉投运后，在此范围发生多次、多处泄露。漕泾项目在事前就将锅炉在这个标高范围作为“特殊控制部位”进行策划和管理。其策划方案作为强制性文件执行，对监理单位和施工单位进行了会议直接交底。施工过程，又几次召开专题会进行过程纠偏。目的是将施工过程使得焊接应力降低到最小程度。要求工程监理和各个施工单位制定确切可行的“特殊部位焊接质量保证措施”报监理、工程公司审批。

修正施工焊接程序(见图1)，细化焊接工艺和强化焊接质量监督管理。我们的策划方案、监理监督手段和施工单位根据制定和经审批的施工焊接方案，进行逐级交底，制定各级现场巡视计划并落实到人。

特殊部位的焊接质量控制：管子对口焊接、鳍片焊接、填块焊接和连接件的焊接。必须按新制定的焊接程序工艺顺序进行。

管子对口焊接采用小线能量。严格焊前预热150～200℃，焊条采用Ф2.5～3.2mm，底层氩弧焊进行不少于两层焊接，保证底层焊接质量。中上层的焊接使用Ф2.5mm焊条施焊。

鳍片、填块以及连接件的焊接必须制作30～35°坡口。坡口尽可能小，减少熔敷金属的填充量以求得最小焊缝收缩应力。焊接仍需按规定的程序进行。

鳍片、填块以及连接件开坡口焊接必须注意清理坡口边沿和根部的洁净，焊接熔深搭接0,5～1.5mm.但，不得大于1.5mm。防止过烧冲击韧性下降，造成热态应力萌生裂纹源。

凡属“特殊控制部位”焊后必须进行火焰加热至300～400℃，加热速度必须缓慢。加热范围每侧不少于200mm，恒温时间不少于15分钟后保温缓冷。加热、保温必须是炉内、炉外同时进行。特别指出的是：该过程必须保证升温速度缓慢。恒温、保温保证效果和质量。

“特殊控制部位”焊接范围保温缓冷后，须进行外观检查、打磨整修。凡与水冷壁管子焊接的鳍片、填块和连接件焊缝外观必须打磨成型为R弧过度，消除焊接应力角，杜绝应力集中，以保证热态应力均匀释放。

“特殊控制部位”施焊过程保证现场2至4个质检人员进行巡视检查。对巡视人员的职责进行规范到位。发现问题及时汇报、及时论证、及时处理。

“特殊控制部位”焊接处理完毕后，除RT椭圆投照外而再行100%的MT或者PT检验。检验合格后申报由漕泾项目部主持进行五级验收。经五级验收合格方可进入水冷壁分项工程的验评。

两台2×1000MW机组投运后虽曾几处漏点，但都是渗漏，没因泄露而停机。特别是二号锅炉运行至今还无发现螺旋水冷壁泄露，和其它已运行同型号锅炉相比较要好的多。

4、缺陷共性特征分析

发生裂纹缺陷均在同一标高水冷壁的接口处，即：在70.6M标高此区域是亚临界压力运行时汽、水两相共存区。此区域是锅炉炉膛热负荷和火焰强度很高的空间范围。

缺陷均发生在70.M标高，管子焊缝横截面，管子纵向裂纹。见图2(管内照a)裂纹缺陷处于向火面“0点 ”位置的螺旋水冷壁径向截面吸热量大、温度最高的位置。

解剖经打磨、抛光观察裂纹缺陷发生在焊缝、熔合线及热影响区范围。宏观呈曲折、断续形貌。见图3(照片b)。

裂纹端角呈现钝状形貌，边沿 曲折。见图4(金相照片A)。

裂纹缺陷是沿晶界发展，并呈现断续状态开裂，见图5(金相照片B)。金相照片观察，组织清晰无浑浊组织出现、晶界清晰。

5、试验结果分析

宏观断面检查裂纹为焊缝横向、断续开裂。照片b也是管子纵方向开裂。显然是受切向应力在热态下开裂。

金片A观察，裂纹端部呈钝状，不是尖锐状形貌出现，表明裂纹是在塑性状态下萌生、长大而开裂。

金片B，裂纹是沿晶界断续开裂。组织清晰，无穿晶，没产生浑浊。分析为：裂纹是在材料的Ac1下，许用温度600℃下仍具有塑性能力。应为500～550℃范围萌生裂纹。

5.1 对使用SA213-T23材料分析：

T23材料高温焊接及高温运行影响着材料的时效脆性。T23材料时效倾向是在500～550℃时明显。而T23的设计目标使用温度500～550℃.在这个温度范围带负荷运行时，应该非常谨慎的。且，标高70.6M是汽、水两相波动范围。若此时，给煤量和给水量的配比不当极易使该范围T23材料温度进入500～550℃造成时效脆性开裂。所以裂纹为管子纵方向。

5.2 T23与新型T23(CASE2199-4)材料元素含量调整分析

元素调整之目的：

1) 提高B底线含量是为了提高钢的淬透性。

2) N与Ti化合形成物TiN，亲和力极强。弥散析出，强化晶界，提高晶界高温强度。

3) 降低N含量是为了降低残余N导致的时效脆性。

4) 细化晶粒(铁素体)。属固溶强化提高钢的淬透性。

注：ASME 在2009年颁布的标准CASE 2199-4中已对SA213-T23材料化学成分进行了修正。

6、设备结构及使用环境分析

6.1 沿炉膛方向，水冷壁管横向(切向)应力大

垂直段水冷壁在工地安装方式为：沿炉膛宽度方向7片膜式壁组合。受制造偏差及误差累积集中的影响，在焊口对接时须把水冷壁管间的鳍片割开、现场校正对口间隙，待水冷壁管焊接完成后再恢复鳍片。割开后的鳍片间隙需用塞块或新的鳍片钢填充，这样也增加了新的焊接应力。

在标高+89M位置未发现焊缝横向裂纹。该位置对接焊口与刚性梁垂直间距﹥1M，而标高+70M对接焊缝与刚性梁垂直间距仅230mm。刚性梁与对接焊缝间距小，使+70M标高的水冷壁管相对而言所受的拘束应力更大。

从此次发现焊缝横向裂纹的水冷壁管焊口看，鳍片角焊缝的厚度大。按正常设计，鳍片厚度为6mm，焊缝余高过高，使内外壁温差增大，也使管排内焊接应力增大。且焊缝横向管子纵向裂纹大部分在炉膛内向火侧，相对于炉外，炉内外管壁的温差大，进一步增加了水冷壁管的应力。焊缝的融合线及收弧接头位置，为焊缝的薄弱区域。但此次发生横向裂纹的焊缝收头位置并不全在0点和6点位置，焊接层间接头大多在45°处。因而，该裂纹缺陷应是受热交变切应力所致。

6.2 负荷波动，加剧了热交变应力

水冷壁管内介质在标高+70M位置，处于蒸发段汽、水两相流区域。在负荷波动过程中，随着给煤量的波动，特别是给水量与给煤量的变化不相匹配之时，蒸发点会沿炉膛高度方向急剧波动变化。汽、水两相的波动、汽泡形成、长大至破裂这个过程，加剧了水冷壁热交变应力的形成，使水冷壁管向火面管壁温度骤然升高。亦切向应力大大增加。致使裂纹的萌生和发展。

6.3 施工环境温度影响

#1锅炉标高+70M垂直段水冷壁焊接在2008年12月至2009年1月进行。当时环境温度较低，虽采取焊前预热、焊后缓冷的措施，但环境温度低造成冷却速度过快，使焊接熔敷金属收缩过快，焊接内应力得不到充分释放。

7、运行监督及处理建议

机组启、停或者在临界点压力以下运行时，应谨慎、科学严密的调整给煤和给水的时间和量的配比合理性。防止T23材料迎火面温度在500～550℃运行。尽可能的缩短此温度区间运行时间。

严格控制机组启、停升、降温速度，预防超温运行(不超材料使用温度)。

加强对标高70.6M炉膛管壁壁温的检测和监督。对四面的高温部位选点进行制度性的硬度、现场金相检查和比对。

70.6M标高炉膛外部应力，应制定改进措施，减少结构应力。

大修有条件时。更换此位置的填块(铸块更换为锻块)以减少膨胀差应力。

这些缺陷共性的特征。同是向火面的的“6”点位置，(仅有6个同时存在于“12”点)。同在一个标高;同是焊接接头出现缺陷;使我们应该重新考虑，焊接材料的选择和焊接工艺的评定。以求得和材料使用相适应。建议改进和调整焊接材料化学成分，相适应的保证高温运行焊接接头的各项性能。保证和T23材料(修正后的新材料)性能相匹配。重新评定焊接工艺的可信度。