关于厚壁管道测温插座的裂纹分析

笔者就下述2个事例阐述了火电机组厚壁管道的热电偶温

度插座产生焊接裂纹的情况，并以图片形式清晰地展示了管座

在运行过程中产生裂纹的危害性。

事例1：某电厂新建工程4x600 mw机组中， 主蒸汽管道

的测温热电偶插座在水压过程中，6个热电偶管座有5个发生了

泄漏，在随后的挖补过程中，发现管座焊缝内有裂纹，个别管

座的裂纹已经从焊缝延伸到管道母材上。主蒸汽管道的材质是

sa335p91。规格为6508 mmx80 mm，热电偶插座的材质是

sa336f91．角焊缝的焊材是e9015一b9。图1是整体管座图，图

2是裂纹形态图。

图1 整体管座图 图2 裂纹形态图

事例2：该工程中的主给水管道上15个热电偶管座有114"

在试运行过程中也发生了泄漏，其坡口设计形式同主蒸汽管道

的测温管座。主给水管道材质是wb36，规格是6508 mmx50

mlt1．热电偶管座的材质是1crl8ni9ti，焊材为a302焊条。裂

纹从管座根部裂透至焊缝表面。焊缝中的裂纹如图3所示。

焊缝中的裂纹

图3 焊缝中的裂纹

收稿日期：20__—12—27；修回日期：20__-06-18

1 原因分析

该电厂主蒸汽管道与主给水管道的测温热电偶插座焊缝均

发生了泄漏，在随后打磨中发现管座角焊缝均有裂纹产生，但

主蒸汽管道与主给水管道的管座产生裂纹的原因，既有共性，

又有其自身特点。

(1)焊后热处理不及时

经调查．这2种管道生产厂家在焊制热电偶管座时，也进

行了预热，但在焊后没有及时进行热处理，放置了一段时间后

才将所有这种管段统一进炉热处理。因而未及时进行消氢处

理。是产生裂纹的外在因素。

(2)坡口形式设计不合理

焊缝坡口形式如图4所示。从焊缝的坡口形式来看，热电

偶插座与管道根部的间隙只有3 inm，而钝边厚度有6 mm，焊

条电弧焊是根本无法焊透的，这样为产生根部裂纹创造了条

件；管道壁厚大，热电偶插座的凹坑深，焊条电弧焊操作难度

大，焊缝层间清渣难度大，容易产生夹渣与气孔，这也为裂纹

的产生与扩展创造了条件。

图4 焊缝坡口形式

从挖开有裂纹的管座焊缝来看，焊缝根部均存在着未焊

透。大部分管座焊缝都有层间夹渣和气孔。可以说坡口形式的

不合理。易造成焊缝未焊透、层间夹渣与气孔等焊接缺陷，使

之成为产生裂纹的内在因素。

76 ·焊工之友· 焊接技术 第36卷第4期20__年8月

(3)拘束应力大

热电偶插座的焊缝是封闭环形焊缝，由于管壁较厚，结构

刚性大，封闭环形焊缝是在较大拘束下焊接的，内应力很大，

存在着3种应力，一是环形焊缝的切向应力，一是环形焊缝的

径向应力，还有一个就是厚度方向的应力。尤其是在焊缝的根

部，这3种应力的叠加值最大，为拉应力。这就是裂纹先在焊

缝根部产生，逐渐才扩展延伸到焊缝表面的原因。

对于主蒸汽p91管道，焊缝熔池金属如在温度较低的情况

下冷却时，会产生淬火马氏体，而淬火马氏体在随后的热处理

过程中转变成回火马氏体时，相变体积将会缩小，产生拉应

力，这种相变应力与结构所产生的应力相叠加，往往会超过材

料的屈服强度，甚至超过强度极限，导致焊缝开裂。当不预热

或预热温度低于200 oc时，厚壁p>文秘站:

产生裂纹的几率可以说是10o％。

(4)异种钢焊接接头残余应力大

主给水管道的热电偶插座使用的是不锈钢焊材， 由于奥氏

体不锈钢(a302)的线膨胀系数比低合金钢(wb36)的大

50％ ，由于2种钢线膨胀系数的差异很大，焊后会在焊接接头

内产生较大的残余应力，这种应力即使通过以后的热处理也难

以消除。机组的起停，管壁循环温度的变化，焊缝与母材会产

生很大的热膨胀内应力。另外，a302焊材与wb36母材的熔合

凝固过渡层组织是马氏体， 由于碳的迁移和扩散．会在wb36

侧形成脱碳层，在奥氏体焊缝侧形成增碳层，也会增大焊接接

头的裂纹倾向。这种异种钢的焊接接头即使焊接工艺执行得很

好，但机组经过几年的运行，也会产生裂纹。

2 解决方案

(1)设计结构

既要保证使用功能性及安全性，又要考虑安装方便，质量

可靠，可以将热电偶插座焊接形式改为螺纹连接形式。用螺纹

连接保证插座与管道连接强度问题。用插座外面的现场焊接角

焊缝来保证管道的严密性问题，如图5所示。

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簋{l

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插座表面车制螺纹，并保证加工精度，虽说增大了制作加工难

度，但对于生产厂家来说并不算一个难题。

(2)对于已经生产出的热电偶插座，如发生泄漏可采取以

下措施进行修补：

a．对于主蒸汽p91管道上热电偶插座发生的泄漏．需用磁

力钻和电磨头将以前的插座取下来，并进行着色探伤，检出管

孔裂纹，直至打磨干净。将管孑l根部加工出一个易于焊透的钝

边(1—2 mm)，插座坡口应制作成便于施焊的u形坡口，必要

时可以先堆焊打磨修整，以减小熔敷金属的填充量。热电偶插

座需重新更换，如其与管孔根部间隙较大时，可先在热电偶表

面堆焊，打磨至与管孑l间隙为2—3 mm。如果无法进行根部充

氩保护时，可将免充氩保护剂涂在根部坡口内外表面。用焊条

进行封底焊接，一定要保证根部焊透。无论是堆焊还是填充

焊，焊前必须进行预热，预热温度不应低于200℃，道间温度

应保持在20o一300℃ ，采用小电流，多层多道焊，道间焊缝要

清理干净，焊后应立即进行热处理。

b．材质为wb36的主给水管道与不锈钢热电偶插座的焊接．

属于异种钢焊接，坡口形式与上述主蒸汽管座孑l加工一样。为

避免奥氏体焊材引起的热膨胀应力，可以先在热电偶插座表面

堆焊1层镍基焊材作为过渡层．再采用与母材wb36一致的焊材

进行插座的环焊缝焊接，这样大量的填充金属与母材的化学成

分一致，线膨胀系数也一致，减小了附加热应力。因为管壁较

厚，焊前也需预热，焊后立即进行热处理。焊接过程中应采用

多层多道焊，注意道间清渣，每层焊道不超过4 mm， 以减小

焊缝中的应力。

3 结论

(1)在上述事例中，焊接结构设计的不合理是导致产生裂

纹的主要原因。在高温高压部件的设计中。厚壁管道上安装热

电偶插座应尽量采用螺纹加焊接形式，如必须设计成焊接形

式，也应设计成根部易焊透的坡口形式，以避免厚壁管焊缝金

属收缩产生裂纹缺陷。

(2)厚壁管道插座焊缝清渣困难，焊条摆动操作困难，很

容易出现气孑l与夹渣，在施焊过程中更要注意道间清渣，调整

合适的焊接电流与焊条角度。

(3)对于拘束应力很大的厚壁管环形角焊缝，焊前一定要

预热，焊后应立即进行热处理，以利于扩散氢的逸出和减小残

余应力。

(4)高温高压厚壁管焊缝应尽量避免异种钢的焊接，尤其

是物理、化学性能差别大的钢材，如无法避免，应采用过渡层

进行焊接。