1、锅炉再热器穿顶密封结构简介
锅炉中、高温再热器管子规格均为∮60 mm×4mm，材质涵盖了15CrMo、12CrIMoV、钢102和SA213-T91等四种钢材。中温再热器每屏14根管子，高温再热器每屏7根管子，在管屏穿出顶棚过热器处采用了如图l所示的焊接密封结构；梳形板与再热器管子的管板接头（以下简称“接头”）由制造厂完成，采用手工电弧焊焊接，单面焊不开坡口，从上部施焊，焊接完毕后整屏进行消除应力处理。
2、裂纹的宏观检查及分析
检查发现，接头的开裂具有如下共同特征：对钢种不具选择性；开裂于焊根部位（见图2）；裂纹呈环向，与焊缝走向～致；裂纹径向扩展面与管子轴线大致成45°角；开裂的接头存在严重的根部焊瘤，且焊缝熔深己透达管子内壁（裂纹正由此处穿出管子内壁）。
断口宏观形貌如图3所示。断口表面覆盖有氧化层且较粗糙，断口呈岩石状，无明显塑性变形；除靠近管子内壁的很窄区域存在剪切唇外，断口的其余部分为裂纹的亚稳扩展区——据此可判断，裂纹由管子外表面形核而向内壁扩展。
3、裂纹的微观分析
金相显微镜下裂纹的微观形貌如图4所示。管子母材微观组织正常，无明显组织老化现象。裂纹扩展区位于焊缝热影响区粗晶过热区内；裂纹沿过热粗晶界面发展，裂纹内充满腐蚀产物；在裂纹扩展前沿，分布着大量断续的晶界微裂纹，其方向基本与大裂纹发展方向一致；在三晶粒交界处，裂纹呈楔形开裂形态，微裂纹相互之间尚未连接。裂纹周围无组织脱碳等现象。
从微观形貌上看，裂纹具备了再热裂纹的典型特征；通过综合类比分析，进一步判断此裂纹为再热裂纹。
4、开裂原因分析
(1)接头材质含沉淀强化元素，具有再热裂纹敏感性。
大量试验研究证实，含沉淀强化元素的钢材，如低合金高强钢、珠光体耐热钢等，其焊接接头均有一定的再热裂纹敏感性。究其原因，目前一般认为，焊接接头在经受一次焊接热循环后，在后续的再热过程中（如焊后消除应力处理，多层多道焊及在500 -700℃下工作等），由于第一次热过程中过饱和固溶的碳化物（主要是钒、钼、铬等的碳化物）在晶内沉淀析出造成晶内强化，导致蠕变滑移集中于晶界，当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹。
(2)接头刚度大且应力集中严重。
焊接接头在消除应力处理时产生再热裂纹的必要条件是：焊态下存在较大的焊接残余应力且有不同程度的应力集中。接头型式为插入式管板接头，刚度较大，焊态下必然存在着较大的焊接残余应力，并且在接头焊根，由于存在几何尖角，焊接残余应力必然产生严重的应力集中。因此，接头具备了在消除应力处理时产生再热裂纹的必要条件。
(3)运行条件下，密封结构内部存在较大的热应力。
运行条件下，密封结构的梳形板与再热器管子存在较大温差（该温差大约在100 - 200℃左右），因而，二者之间必然存在较大胀差。由于接头的刚度很大，此胀差不能被有效吸收，所以，接头必然着存在较大的热应力。而且和焊接残余应力一样，热应力亦在接头焊根的几何尖角产生严重的应力集中。
根据再热裂纹的产生机理，热应力和热应力集中对接头的开裂必然起到主导作用。
(4)焊接线能量过大。
研究表明，再热裂纹常发生于焊接热影响区的过热粗晶部位，并具有晶间开裂特征。材质的晶粒度对再热裂纹的影响尤为明显：实验证明，在500℃下，晶粒度越大，则晶界开裂所需的应力越小。并且，晶粒粗化还会导致过热粗晶区止裂能力进一步缺失，使得再热裂纹更易于在此区域内扩展。
接头上存在焊瘤，焊缝熔深透达管子内壁，这些事实证明制造单位在施焊时采用了过大的焊接线能量；过大的线能量会使焊接热影响区粗晶过热区的晶粒更加粗大，因而必然加速接头的开裂。
5、密封焊口的防裂对策
以降低结构刚性，消除结构元件间的温差，提高接头的抗裂性为出发点，对中、高温再热器穿顶密封结构实施技术改造。
(1)将密封结构改进为如图5所示的套筒式。
与原结构相比，改进后的密封结构具有以下优点：接头刚度显著降低，焊接残余应力小；由于套筒（12CrMoV材质）与再热器管子实现面接触，二者之间基本不存在温差，于是，接头的热应力得以最大限度地消除；便于检修焊后热处理。
(2)优化焊接工艺并严格质量控制。
1)采用手工钨极氩弧焊施焊，以期提高接头的抗裂性。
2)通过焊接工艺试验确定合适的焊接规范参数，有效控制焊接线能量。以确保焊缝成型良好且熔深不大于2 mm为原则，通过焊接工艺试验确定焊接规范参数。试验结果表明，表l中的焊接规范符合既定原则。
3)焊接质量控制要点：施焊前，按DL500792《电力建设施工及验收技术规范（火力发电厂焊接篇）》第4.0.5、第4.0.10条要求对待焊工件实施严格清理；施焊时，在确保焊缝成型良好的前提下，力求管子侧低熔深；按JB/T 9218 1999《渗透探伤方法》对所有焊口着色探伤，质量达工级为合格。
6、对策实施效果
2003年10月至2004年2月，该发电厂按上述方法先后对1#炉、2#炉的中高温再热器穿顶密封结构实施了技术改造，改造后的密封结构自投运至今没有发生泄露事故。
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