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摘要：火力发电厂有很多管座角焊缝，包括中大径、小径管管座角焊缝都有，由于其结构特点和工况的影响，焊缝上往往会产生较大的应力，容易产生各种缺陷，导致管座角焊缝的开裂失效。分析清楚火力发电厂各种管座角焊缝的结构形式和失效原因，提出合理的管座角焊缝失效的预防措施，确保管座角焊缝的质量，保障火电厂机组的安全稳定运行。
关键词：管座角焊缝；结构形式；应力状态；失效原因；预防措施
引言
火力发电厂有很多管座角焊缝，包括中大径、小径管管座角焊缝都有。有关规程对火力发电厂管座角焊缝的结构形式和使用范围做了明确规定，但由于管座角焊缝的结构特点和运行中温度变化等原因，使得管座角焊缝成为承压部件的应力集中部位，加上装配及焊接过程中工艺特殊，容易产生各种缺陷。分析火力发电厂各种管座角焊缝的结构形式、焊接特点，弄清楚各种管座角焊缝的受力状况和失效原因，提出合理的管座角焊缝失效的预防措施，确保管座角焊缝的质量。
1 火电厂管座角焊缝的结构形式、焊接特点
1.1管座角焊缝的主要结构
在火电厂管座角焊缝的结构形式多种多样较复杂，为避免强制对口，在容器、联箱、管道与接管间往往加装接管座，因此会出现大量的管座角焊缝。通常接管座与筒体焊接的角焊缝形式有安放式和插入式两种，典型结构形式如图1和图2所示。其焊缝一般呈马鞍形，几何形状多变，受力状况复杂。插入式管座角焊缝是接管座插入筒体内焊接而成，这种形式的角焊缝容易造成根部未焊透缺陷，接管座与筒体之间的未焊透接头往往存在间隙，接头传力时力流线偏转很大，应力分布很不均匀，在角焊缝的根部和焊趾处都有很大的应力集中。安放式管座角焊缝是接管座安放在筒体上焊接而成的，能够全焊透，各类缺陷较少，因此全焊透的接头应力集中和传力则相对均匀一些。现在火电厂逐步的不用插入式管座角焊缝了，逐步采用安放式管座角焊缝。
图1 安放式角焊缝 图2 插入式角焊缝
1.2 管座角焊缝的焊接特点
管座角焊缝主要焊接特点是由于筒体和接管座厚度壁厚差异大、焊接位置较差，焊接时会产生很大的应力，且容易产生未焊透、未熔合和条渣等缺陷。根部未焊透等缺陷是管座角焊缝失效的主要原因。
管座角焊缝由于结构形式的特点，焊接的特点为：筒体和接管座厚度壁厚差异大，热容量相差悬殊，焊接时接管座温升很快而筒体温升很慢。如果筒体未经预热，或预热不足，焊接工艺规范不当，那么焊接时会产生很大的应力，并且容易产生未焊透、未熔合和条渣等缺陷。而且如果焊接过程中，线能量过大和冷却速度过快，在接管座外壁的焊缝热影响区处出现硬度远高于基体硬度的马氏体组织，使管座角焊缝局部的脆性增大，塑性和抗变形能力降低，且存在较高的残余应力，从而使角焊缝局部的综合性能下降。
2 管座角焊缝焊缝受力状态及失效原因分析
2.1 管座角焊缝的受力类型及产生因素
管座角焊缝中产生的应力各种各样非常复杂，有拉应力、压应力、剪切应力、弯曲应力和复合应力。
管座角焊缝中的应力大致由以下因素产生：有锅炉内的压力作用而产生的内应力，可以是拉应力、压应力、剪切应力和复合应力。有焊接过程中形成的残余应力，当然这种应力可以通过热处理予以降低。有锅炉各个受压元件的热胀冷缩而产生的附加应力。有锅炉部件自身质量而产生的附加应力。还有其他因素产生的应力，如运行中的启停、振动等影响，在角焊缝中还可产生峰值应力、二次应力等。
焊缝表面粗糙和表面缺陷（如咬边、内凹等）以及焊缝中的缺陷，如夹渣，气孔，特别是未焊透，都会造成焊缝中的应力集中，致使焊缝的疲劳强度降低。锅炉在启停和运行过程中，瞬间温度变化和运行工况的波动，都会使接管与联箱之间出现大的温差，由此产生较大的热应力。另外在运行时由于工况波动，也使诸如水冷壁管与联箱之间始终存在热应力，热应力长期作用于管座角焊缝的应力集中区域，将导致热疲劳裂纹的形成和发展。
2.2 管座角焊缝的应力状态分布
筒体开孔后，会出现很严重的应力集中现象，最大的应力出现在垂直于拉伸方向的截面上。但孔边应力集中具有局限性，离孔边不远处，应力迅速衰减。接管座与筒体之间的未焊透接头往往存在间隙，应力分布很不均匀，在角焊缝的根部和焊趾处存在很大的应力集中。全焊透的接头应力集中和受力相对均匀一些。如下图3所示为安放式全焊透形式的受力图，图4为插入式未焊透形式的受力图。
图3 安放式角焊缝受力图 图4 插入式角焊缝受力图
2.3 管座角焊缝失效原因分析[1]
从以往发现的管座失效情况看，管座的裂纹失效大致可以分成两种类型：高温蠕变裂纹和应力腐蚀裂纹。两种裂纹开裂的位置不相同。蠕变裂纹在外壁焊趾处开裂，裂口向外张开，裂纹平面与管轴线垂直；应力腐蚀裂纹发生在管座内壁，裂纹方向也与管座轴线垂直，但裂纹位置却离焊口有一定距离，一般在10～20mm处，并且腐蚀区域一般位于管轴线的一侧。这两种裂纹不发生在同一位置，是应力分布和环境因素共同决定的。
2.4 角焊缝本身失效原因分析[2]
2.4.1 焊缝强度不足（含焊缝内部缺陷）造成失效
目前对火电厂承压部件的焊接，工艺要求中、大口径应采用氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面工艺，同时采用碱性焊条多层多道施焊以提高焊缝强度。小径管管座角焊缝采用全氩弧焊施焊。但在实际检修、安装中存在用焊条焊代替氩弧焊的现象，致使焊缝强度降低。或者焊接质量控制不当，焊缝内部存在缺陷，会降低焊缝强度，在其它因素诱发后导致失效。
2.4.2 结构不合理造成失效
结构不合理常会引起严重的应力集中，而在应力集中处又可能导致裂纹产生。老机组常用插入式接管座形式，造成根部焊不透，产生严重的应力集中，容易诱发裂纹造成失效。如某电厂插入式根部未焊透造成的开裂，后采用安放式全焊透结构，泄漏大大减少。还有一些属于管系膨胀结构不合理，膨胀受力过大导致的裂纹，某电厂过热器分隔屏夹持管管座角焊缝连续发生开裂，更改管系，加装“U”形弯后问题得到解决。
2.4.3 根部缺陷造成失效
焊缝根部是最容易产生缺陷的部位，由根部缺陷造成焊缝失效较普遍。能否焊出高质量的根部是整个焊缝质量好坏的关键。根据现场经验，根部间隙为2～3 mm较合适，对氩弧焊、焊条电弧焊打底都适用。选用合理的根部间隙和正确的焊接方法，能最大程度的避免根部缺陷。
角焊缝中未焊透、未熔合、条渣等缺陷在联箱整体热处理时可能产生裂纹，这些裂纹可能是宏观的、表面的，但更多时候是微观的、内在的。锅炉安装投产以后，在高温高压工作状态下，尤其是经过多次锅炉启停的交变应力作用下，裂纹会扩展成贯穿性裂纹，导致泄漏事故的发生。
3 管座角焊缝失效的预防措施
3.1 结合管座角接头焊缝的焊接特点所采取的措施[3]
管座角焊缝因为一般是接管座与筒体垂直相接，位置常常不便于焊工的施焊和清理，特别是对于某些电站锅炉联箱上的管座角焊缝，由于联箱上管座设计较多，管座之间的间距较小，也给施焊带来了不便。
对于这种易于产生缺陷的管座角焊缝，焊工在施焊过程应引起足够重视。焊工要尽可能使管座角焊缝的内孔封底焊根部焊透、避免夹渣和气孔等严重缺陷。
针对管座角焊缝的焊接特点，特提出以下工艺措施。
采用合适的管座及坡口形式。管座角焊缝处于承压部件的应力集中区，而且本身的应力水平又非常高，为保证管座有足够的强度推荐使用加厚型接管座（即下部壁厚加大）。同时，为保证根部焊透。应优先选用安放式接管座形式。
重视定位焊过程。在以往的现场焊接中，曾出现由于焊接不当或应力变形过大，而使定位焊缝开裂的现象。为防止定位焊缝开裂，定位焊缝的焊接工艺也应该遵循既定焊接工艺，同时，定位焊缝要有一定的厚度和长度（长不小于15mm，厚度不小于3 mm）。
严格按照工艺进行预热。预热的目的是降低焊缝冷却速度，减少热影响区的宽度，减少焊缝和热影响区的淬硬组织。由于条件所限，现场许多情况下焊后热处理温度达不到要求，只能起到消氢和消除应力的作用，对改善焊缝组织状态作用不大。在这种情况下，预热的重要性就更加突出。因此，一定要严格按照工艺进行预热。
选择正确焊接方法及焊接顺序。由于角焊缝根部极易出现各种缺陷，因此，为获得良好的根部焊缝，小径管应采用全氩弧焊接，中、大口径应采用氩弧焊打底、焊条电弧焊盖面工艺，同时采用碱性焊条施焊以提高焊缝强度。采用多层多道施焊，以利于细化晶粒、减小应力和变形。
适当选择焊后热处理工艺。若焊缝两侧材料相同，则按照壁厚大的一侧选择热处理温度及保温时间。两侧材料不同，则综合材料及壁厚因素，按照焊接性差的一侧选择热处理温度及保温时间。在热处理过程中应严格控制升降温速度，以避免内外壁温差太大产生热应力，对焊缝造成不良影响。
3.2 根据材料和管系受力所采取的预防措施
火电厂很多压力、温度、取样、排空管座角焊缝多采用的是异种钢焊接，异种钢焊接应力较大导致失效。这是以前的工艺措施所导致的，现在可以加工和联箱同种材质的接管座，如以前压力管座，取样管座多采用不锈钢，现在可以采用和联箱相同材质的管座角焊缝，这样就能避免异种钢焊接所产生的各种缺陷。。
3.3 日常的检查和维护所采取的措施
定期对管座角焊缝进行无损检测，采用合理的无损检测能够准确的检出管座角焊缝中的各类缺陷，这里主要要把各种无损检测的检测方法结合起来。对不同类型管座角焊缝的应用原则和质量评定原则，综合运用磁记忆、表面（磁粉和渗透）和超声波的联合检测方法进行检测。首先用磁记忆进行初检，再顺次进行表面和超声波的检测顺序，并对管座角焊缝处筒体内壁裂纹进行检测，实现了对管座角焊缝处的全面检验，速度快、结果准确可靠。
4 结论
火电厂管座角焊缝是应力集中部位，也是最薄弱和最容易开裂的部位，经常发生各类管座角焊缝失效的事故，通过管座角焊缝各种失效原因的分析，结合现场实际，现在逐步研究通过各种方法如改进管座角焊缝管座形式，改善焊接工艺，采用合理的管座材质和管座受力，再通过有效的检查和维护，能够很好的解决管座角焊缝的失效事故，提高火电机组的设备可靠性。
参考文献：
[1]侯世勇. 火电厂承压部件管座角焊缝损坏原因分析及焊接工艺探讨[C]. 天津：焊接技术，2003.
[2]骈志兵. 取样管管座角焊缝失效分析[C]. 安徽：安徽电力，2002.
[3]陈小韩. 锅炉锅筒管座角焊缝产生裂纹的原因分析及防治建议[C]. 福建：化学工程与装备，2010.
作者简介：
雒焕胜（1983.01_），男，甘肃兰州人，兰州理工大学材料成型与控制工程专业本科毕业，工程师，单位：兰州西固热电有限责任公司，研究方向：火电厂金属监督和无损检测。
论文作者:雒焕胜
论文发表刊物:《河南电力》2018年3期
论文发表时间:2018/6/27
标签：应力论文; 裂纹论文; 根部论文; 缺陷论文; 火电厂论文; 形式论文; 结构论文; 《河南电力》2018年3期论文;