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【摘要】某电厂2号机组在“绿改”后期，T23水冷壁焊缝出现大量裂纹。经多次微观组织分析和研究，找到了焊缝裂纹产生的主要原因，并针对此原因，制定了相应的方案，采取了相应的措施解决了这一问题。
【关键词】 T23;水冷壁;焊接;裂纹
WANG Yu Peng WANG Huanli
【Abstract】A lot of cracks appeared in the weld of T23 waterwall during the late of the "Green Reform" in unit 2 of a power plant.Through many microstructure analysis and research， the main causes of weld cracks have been found， and the corresponding program has been worked out and the corresponding measures have been taken to solve the problem.
【Key words】 T23;waterwall;weld;crack
1、机组简介
某电厂2×1000MW火电机组，由上海锅炉有限公司引进Alstom-Power公司技术生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉。锅炉采用一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架塔式布置。
锅炉炉膛宽度21.48m，深度21.48m，由膜式水冷壁组成。本次“绿改”是在标高59.6m至63.9m水冷壁四角增加一组高位燃尽风喷嘴，喷嘴水冷套材质为12Cr1MoVG，规格为Φ38×7.2mm，四周水冷壁管材质为T23，规格为Φ38.1×6.8mm。
2、问题由来
“绿改”期间，2号炉共检查水冷壁四角及68.5米处T23焊口5212只，发现裂纹139只，裂纹焊口均为安装或更换过的焊口。对139只裂纹焊口进行换管处理，焊材选用蒂森P23焊丝，焊接工艺采用：焊口内壁充氩、焊前火焰预热温度150～200℃、焊3层3道、焊接电流小于120A、层间温度≤300℃、焊后保温棉缓冷，未进行焊后热处理[1]。
燃尽风改造方面，现场安装707只T23/12Cr1MoV异种钢焊缝，焊材选用低匹配，即R31焊丝，焊口内壁充氩、焊前预热温度150～200℃、焊3层3道、焊接电流小于120A、层间温度≤300℃、焊后保温棉缓冷，并进行焊后热处理。
T23/T23新更换焊口在启动过程中发生3次泄漏，共计9处漏点（见图1），其中8处为本次检修新更换焊口，泄漏处均为熔合线裂纹（见图2）。对12Cr1MoV/T23焊口进行MT抽查，检验688只，发现39只焊口存在裂纹，均为T23侧沿熔合线开裂，缺陷率5.7%。
3、原因分析
对发生裂纹的T23同种钢焊缝进行了宏观检查和微观组织分析：
从图3中可以看出，焊缝焊了2层，底层为打底焊，晶粒较细，上层焊缝晶粒较粗。裂纹位于焊缝边缘的粗晶区。
从图4中看出，裂纹为沿晶开裂，有二次沿晶裂纹。裂纹处晶粒粗大，为粗大的板条马氏体束，马氏体束之间具有一定的位向关系，为淬硬组织。
从图5中看出，母材的硬度基本保持在HV200左右，焊缝的硬度在HV315～HV325之间，热影响区粗晶区的硬度较高，左侧热影响区硬度达到HV440，右侧热影响区较小，但也达到HV375。裂纹在左侧热影响区粗晶区开裂。
结论：由于焊接过程未严格按照施工工艺进行，焊接过程中线能量输入过高，导致过热区产生粗大的淬硬组织、硬度过高[2]，焊口未经焊后热处理，焊接应力无法有效释放，故在受力后易在高硬度的过热区产生裂纹，进而发生泄漏。
通过图6对12Cr1MoV/T23异种钢裂纹的微观分析，确认裂纹为沿晶裂纹，且由外壁往内壁方向开裂，裂纹为再热裂纹[3]。原因为焊接时热输入量较大，导致晶粒粗大，晶界弱化，加之晶粒粗大不均，在多晶粒晶界接合处易于形成应力集中，塑韧性降低。焊接接头残余应力和外部作用力都很大，在焊接后回火时形成再热裂纹。在焊接中焊缝余高过高，产生咬边均会使热影响区粗晶区的应力集中程度增加，增大再热裂纹的敏感性[3]。
综合T23/T23、12Cr1MoV/T23裂纹的宏观和微观分析，焊口产生裂纹的主要原因为：a.塔式炉螺旋水冷壁结构应力、拘束度较大，特别是四角转角部位应力较复杂且应力相比较其它部位更大，因此转角部位焊口更容易产生裂纹。b.T23材质存在冷裂纹和再热裂纹倾向，可焊性较差。有些受现场条件限制，焊口焊接后无法进行现场热处理，焊接应力无法有效释放。c.焊接质量不佳。部分焊口焊缝采用两道焊接，焊接线能量偏大，硬度高、焊口过瘤较严重。据此推断焊口泄漏存在个别焊工对焊接工艺执行不当，即焊前预热、层间温度控制、焊接线能量的输入、焊后缓冷等步骤控制不力，导致焊缝韧性不足。
4、 解决方案
鉴于T23/T23同种钢和12Cr1MoV/T23异种钢焊口发现裂纹的情况，重新优化了施工工艺（如配管长度、鳍片切开长度、对口间隙、增加应力释放槽等）和焊接工艺、细化了监督检查内容：焊接电流90～110A、焊前预热温度150～200°C、层间温度150～300°C;焊后热处理。按照新制定的工艺对本次检修中更换的139只T23/T23裂纹焊口和燃尽风焊口重新配管進行焊接及热处理，并委派12名专业人员对施焊全过程进行跟踪，同时增加了热处理后的MT探伤检查。
更换后的T23/T23焊口100%RT、MT，未发现裂纹;而新更换的12Cr1MoV/T23异种钢接头仍有部分焊口沿T23侧熔合线开裂，共检查624只，发现31只开裂，大部分均为沿T23侧熔合线开裂。 新更换的异种钢接头无论从外观质量、焊接参数、焊工操作的精细程度、现场监督人员负责的态度等，要远远好于任何一次检修。经分析仍为，焊口处应力水平高，裂纹为热处理过程中产生的再热裂纹。在无法改变结构应力的情况下，必须进行多次处理来降低焊口应力，减少冷裂纹、再热裂纹产生概率[4]。故对31只裂纹采取如下措施：a.为改善并降低T23侧产生再热裂纹的倾向，12Cr1MoV/T23焊口常规焊接结束后，以T23侧熔合线为中心，对焊缝及母材表面重熔（填充料选用R30焊丝，宽度为熔合线两侧各2～3mm，余高不超过2mm，焊接电流参照优化后的电流），通过焊道退火，降低残余应力，达到降低裂纹敏感度[5]。b.焊后继续进行热处理，采用电加热方式，升降温速度不超过220℃，在600-700℃之间，升降温速度控制在380±10℃，加热至730℃±10℃，恒温0.5小时，加热带宽度不低于250mm。每炉加热5只焊口、装2只热电偶。按此方案实施后对异种钢焊口100%MT，均为发现裂纹。
5、 结论
1、T23材料可焊性差，对焊接工艺要求苛刻;而水冷壁结构由于拘束度非常大，使焊接残余应力大。两种不利因素是T23水冷壁容易出现裂纹的根本原因。
2、须重视T23焊接工艺参数的执行过程，重点通过控制焊接电流和焊接速度控制焊接热输入量，以最大程度减少焊缝组织粗大。
3、须重视焊接过程焊接应力的控制，包括从严控制焊接对口间隙、减少错口、减少焊缝余高及严格控制焊前预热温度等。
4、保证现场热处理效果。焊后热处理可有效降低焊接应力，但同时增加了T23焊口再热裂纹的敏感性，因此应规范热处理工艺、细化工艺要求等，以保证热处理效果。
参考文献
[1]DL T869-2012 火力发电厂焊接技术规程[S].北京： 中国电力出版社，2012.
[2]邓永清，朱丽慧，王起江，等.国产T23钢高温时效时组织和力学性能的研究[J].金属热处理，2007，32（ 9） ： 21- 26.
[3]邓永清，朱丽慧，王起，等.国产T23钢高温组织演变及其对性能的影响[J].钢铁研究学报，2007，19（ 8） ： 46- 48.
[4]银润邦，潘乾刚，刘自军，等.T23钢再热裂纹影响因素和预防措施的研究[J].电焊机，2010，40（ 2） ： 109- 113.
[5]張文钺.金属熔焊原理及工艺（ 上册） [M].北京： 机械工业出版社，1979： 288- 315.
【关键词】 T23;水冷壁;焊接;裂纹
WANG Yu Peng WANG Huanli
【Abstract】A lot of cracks appeared in the weld of T23 waterwall during the late of the "Green Reform" in unit 2 of a power plant.Through many microstructure analysis and research， the main causes of weld cracks have been found， and the corresponding program has been worked out and the corresponding measures have been taken to solve the problem.
【Key words】 T23;waterwall;weld;crack
1、机组简介
某电厂2×1000MW火电机组，由上海锅炉有限公司引进Alstom-Power公司技术生产的超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉。锅炉采用一次再热、单炉膛单切圆燃烧、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架塔式布置。
锅炉炉膛宽度21.48m，深度21.48m，由膜式水冷壁组成。本次“绿改”是在标高59.6m至63.9m水冷壁四角增加一组高位燃尽风喷嘴，喷嘴水冷套材质为12Cr1MoVG，规格为Φ38×7.2mm，四周水冷壁管材质为T23，规格为Φ38.1×6.8mm。
2、问题由来
“绿改”期间，2号炉共检查水冷壁四角及68.5米处T23焊口5212只，发现裂纹139只，裂纹焊口均为安装或更换过的焊口。对139只裂纹焊口进行换管处理，焊材选用蒂森P23焊丝，焊接工艺采用：焊口内壁充氩、焊前火焰预热温度150～200℃、焊3层3道、焊接电流小于120A、层间温度≤300℃、焊后保温棉缓冷，未进行焊后热处理[1]。
燃尽风改造方面，现场安装707只T23/12Cr1MoV异种钢焊缝，焊材选用低匹配，即R31焊丝，焊口内壁充氩、焊前预热温度150～200℃、焊3层3道、焊接电流小于120A、层间温度≤300℃、焊后保温棉缓冷，并进行焊后热处理。
T23/T23新更换焊口在启动过程中发生3次泄漏，共计9处漏点（见图1），其中8处为本次检修新更换焊口，泄漏处均为熔合线裂纹（见图2）。对12Cr1MoV/T23焊口进行MT抽查，检验688只，发现39只焊口存在裂纹，均为T23侧沿熔合线开裂，缺陷率5.7%。
3、原因分析
对发生裂纹的T23同种钢焊缝进行了宏观检查和微观组织分析：
从图3中可以看出，焊缝焊了2层，底层为打底焊，晶粒较细，上层焊缝晶粒较粗。裂纹位于焊缝边缘的粗晶区。
从图4中看出，裂纹为沿晶开裂，有二次沿晶裂纹。裂纹处晶粒粗大，为粗大的板条马氏体束，马氏体束之间具有一定的位向关系，为淬硬组织。
从图5中看出，母材的硬度基本保持在HV200左右，焊缝的硬度在HV315～HV325之间，热影响区粗晶区的硬度较高，左侧热影响区硬度达到HV440，右侧热影响区较小，但也达到HV375。裂纹在左侧热影响区粗晶区开裂。
结论：由于焊接过程未严格按照施工工艺进行，焊接过程中线能量输入过高，导致过热区产生粗大的淬硬组织、硬度过高[2]，焊口未经焊后热处理，焊接应力无法有效释放，故在受力后易在高硬度的过热区产生裂纹，进而发生泄漏。
通过图6对12Cr1MoV/T23异种钢裂纹的微观分析，确认裂纹为沿晶裂纹，且由外壁往内壁方向开裂，裂纹为再热裂纹[3]。原因为焊接时热输入量较大，导致晶粒粗大，晶界弱化，加之晶粒粗大不均，在多晶粒晶界接合处易于形成应力集中，塑韧性降低。焊接接头残余应力和外部作用力都很大，在焊接后回火时形成再热裂纹。在焊接中焊缝余高过高，产生咬边均会使热影响区粗晶区的应力集中程度增加，增大再热裂纹的敏感性[3]。
综合T23/T23、12Cr1MoV/T23裂纹的宏观和微观分析，焊口产生裂纹的主要原因为：a.塔式炉螺旋水冷壁结构应力、拘束度较大，特别是四角转角部位应力较复杂且应力相比较其它部位更大，因此转角部位焊口更容易产生裂纹。b.T23材质存在冷裂纹和再热裂纹倾向，可焊性较差。有些受现场条件限制，焊口焊接后无法进行现场热处理，焊接应力无法有效释放。c.焊接质量不佳。部分焊口焊缝采用两道焊接，焊接线能量偏大，硬度高、焊口过瘤较严重。据此推断焊口泄漏存在个别焊工对焊接工艺执行不当，即焊前预热、层间温度控制、焊接线能量的输入、焊后缓冷等步骤控制不力，导致焊缝韧性不足。
4、 解决方案
鉴于T23/T23同种钢和12Cr1MoV/T23异种钢焊口发现裂纹的情况，重新优化了施工工艺（如配管长度、鳍片切开长度、对口间隙、增加应力释放槽等）和焊接工艺、细化了监督检查内容：焊接电流90～110A、焊前预热温度150～200°C、层间温度150～300°C;焊后热处理。按照新制定的工艺对本次检修中更换的139只T23/T23裂纹焊口和燃尽风焊口重新配管進行焊接及热处理，并委派12名专业人员对施焊全过程进行跟踪，同时增加了热处理后的MT探伤检查。
更换后的T23/T23焊口100%RT、MT，未发现裂纹;而新更换的12Cr1MoV/T23异种钢接头仍有部分焊口沿T23侧熔合线开裂，共检查624只，发现31只开裂，大部分均为沿T23侧熔合线开裂。 新更换的异种钢接头无论从外观质量、焊接参数、焊工操作的精细程度、现场监督人员负责的态度等，要远远好于任何一次检修。经分析仍为，焊口处应力水平高，裂纹为热处理过程中产生的再热裂纹。在无法改变结构应力的情况下，必须进行多次处理来降低焊口应力，减少冷裂纹、再热裂纹产生概率[4]。故对31只裂纹采取如下措施：a.为改善并降低T23侧产生再热裂纹的倾向，12Cr1MoV/T23焊口常规焊接结束后，以T23侧熔合线为中心，对焊缝及母材表面重熔（填充料选用R30焊丝，宽度为熔合线两侧各2～3mm，余高不超过2mm，焊接电流参照优化后的电流），通过焊道退火，降低残余应力，达到降低裂纹敏感度[5]。b.焊后继续进行热处理，采用电加热方式，升降温速度不超过220℃，在600-700℃之间，升降温速度控制在380±10℃，加热至730℃±10℃，恒温0.5小时，加热带宽度不低于250mm。每炉加热5只焊口、装2只热电偶。按此方案实施后对异种钢焊口100%MT，均为发现裂纹。
5、 结论
1、T23材料可焊性差，对焊接工艺要求苛刻;而水冷壁结构由于拘束度非常大，使焊接残余应力大。两种不利因素是T23水冷壁容易出现裂纹的根本原因。
2、须重视T23焊接工艺参数的执行过程，重点通过控制焊接电流和焊接速度控制焊接热输入量，以最大程度减少焊缝组织粗大。
3、须重视焊接过程焊接应力的控制，包括从严控制焊接对口间隙、减少错口、减少焊缝余高及严格控制焊前预热温度等。
4、保证现场热处理效果。焊后热处理可有效降低焊接应力，但同时增加了T23焊口再热裂纹的敏感性，因此应规范热处理工艺、细化工艺要求等，以保证热处理效果。
参考文献
[1]DL T869-2012 火力发电厂焊接技术规程[S].北京： 中国电力出版社，2012.
[2]邓永清，朱丽慧，王起江，等.国产T23钢高温时效时组织和力学性能的研究[J].金属热处理，2007，32（ 9） ： 21- 26.
[3]邓永清，朱丽慧，王起，等.国产T23钢高温组织演变及其对性能的影响[J].钢铁研究学报，2007，19（ 8） ： 46- 48.
[4]银润邦，潘乾刚，刘自军，等.T23钢再热裂纹影响因素和预防措施的研究[J].电焊机，2010，40（ 2） ： 109- 113.
[5]張文钺.金属熔焊原理及工艺（ 上册） [M].北京： 机械工业出版社，1979： 288- 315.