高溫再熱器管焊縫開裂原因分析

黃道懿

摘 要：以某電廠為例，對高溫再熱器管焊縫開裂原因進行分析，得知高溫再熱器管焊縫內壁存在削薄段，此區域盡管化學成分滿足ASME SA-213/SA-213M2008a規定要求，但是顯微組織老化，內壁削薄段在一定條件下回影響工質流動，導致局部超溫，管圈熱脹應力大，最終出現了開裂。

關鍵詞：高溫再熱器管；焊縫；開裂原因

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.038

0 引言

當前電力建設的飛速發展，大容量機組被廣泛應用，這些機組鍋爐高溫再熱器管的質量問題也成為我們關注熱點[1]。某電廠鍋爐自2011年3月投產運行到2013年5月共出現3此開裂泄露事故，且開裂位置都位于高溫再熱器出口段處的異種鋼焊接處。本文主要以此為例，研究高溫再熱器管焊縫開裂原因，以期讓高溫再熱器管質量得到進一步提高。

1 基本資料及宏觀檢測

電廠高溫再熱器管的子材料為TP347H、T91、T22三種，規格為d51×4.3mm，d57×4.3mm這兩種。高溫再熱器T91/TP347H特種鋼焊接處的T91側出現環向開裂，位置為距離頂棚50mm處的第一根高溫再熱器管，焊接接頭兩側的母材規格是d51×4.3mm。

開裂局部形貌如圖1所示。開裂部位同焊縫中心相距7mm，裂紋周長110mm，焊縫兩側的管子沒有出現粗脹。焊縫外壁區域出現吹損，裂紋一側管外壁有環向的淺短裂紋。焊縫兩側管內壁存有削薄段，開裂部位正好在此削薄段中。高溫再熱器管裂口附近內壁氧化層出現環狀開裂，斷口側縱截面中間凹，兩邊凸，另側相反。斷口邊緣處的壁厚也出現一定減薄。從宏觀上看開裂符合蠕變開裂的特征。

2 化學成分與金相組織分析

對開裂管樣母材進行化學成分分析，結果如表1所示。從化驗分析中我們得知管樣化學成分同ASME SA-213/SA-213M2008a規定的T91鋼成分要求相符合[2]。

將開裂管樣裂縫裂開處及裂紋末端各自加工出一個標記為1號、2號的縱向金相試樣，并制作一個對照管樣。金相的檢驗標準值參照DL/T884-2004標準進行。通過檢驗我們得出結論：（1）開裂管樣裂縫裂開處及裂紋末端兩個位置都擁有蠕變孔，顯微組織都出現老化； （2）開裂管樣同對照管樣相比較，開裂管樣削薄段下老化程度高于未削薄段； （3）開裂管樣的削薄段內壁氧化厚度為0.30mm，未削薄段內壁氧化厚度為0.15mm，未開裂段內壁氧化厚度為0.10mm，開裂管內壁氧化厚度高； （4）開裂管樣削薄段內壁氧化層兩層擁有明顯結構特征。

3 拉伸性能及硬度試驗

自開裂管及對比管樣上以焊接接頭作為中心各加工2個縱向的拉伸試樣，按照GB/T228-2002標準在室溫下進行拉伸試驗，結果如表2所示。

ASME SA-213/SA-213M2008a規定的T91鋼Rm≥585MPa，Rp0.2≥415MPa，A≥20%；而TP347H鋼Rm≥515MPa，Rp0.2≥205MPa，A≥35%[3]；而按照DL/T868-2004標準，異種鋼焊接接頭試樣抗拉強度需≥較低一側母材抗拉強度的標準值下限。從表2 內的檢驗結果我們能夠看出，兩個對比管管樣抗拉強度同新標準內的焊接接頭要求相符合。按照GB/T4340-1999標準對試樣進行硬度檢驗，檢測結果為：（1）管樣削薄段區域存在硬度值的一個突降區，此區域同管樣蠕變空洞為對應關系。（2）開裂管樣未削薄段區及對比管樣硬度均符合標準要求。（3）開裂管同對比管相比硬度明顯不足。

4 結果及分析

通過上面的試驗分析，我們可以得出如下的結果：

（1）試驗管樣未削薄段及對照管樣在化學成分、拉伸強度及硬度上均滿足要求，證明高溫再熱器管原材料焊接質量是正常的；

（2）開裂管樣宏觀形貌上分析，管樣近裂口處及裂紋末端擁有大量蠕變空洞，管樣開裂在性質上是蠕變開裂。

（3）開裂管樣同對比管樣相比較，老化現象嚴重，特別是開裂管樣的削薄段區域中內壁的氧化層厚度大，硬度小，在運行中存在大幅度的超溫。

（4）對于焊接接頭來講，在接頭兩側的內壁都存在削薄段，工質經過削薄段臺階及焊縫根部的凸起臺階的時候，工質流場在一定條件上會出現較大改變，削薄段內壁冷卻能力減弱，局部溫度提升較快。

（5）開裂管樣T91側管的端部內壁存在0.7mm厚度的削薄段，鋼管強度被大大削弱，同時也讓此區域成為鋼管在結構上的一塊薄弱區域。加之內壁削薄段加工刀痕粗糙，應力集中，此區域軸向承載力被大大削弱。

（6）高溫再熱器的管屏結果屬于疊加的雙“U”型結構，各管流量在沒有采用節流孔調節情況下，外圈管的溫度比較高。且雙“U”型結構下管夾對于外圈管子形成較大約束，管子熱脹應力大，因此，開裂位置處于“U”型外圈。

5 結論

綜上所述，高溫再熱器管焊縫出現的環向開裂是焊接接頭的兩側管內部削薄段結構在一定條件下工質流動變化導致局部超溫，管圈受熱脹應力作用所出現的蠕變開裂。因削薄段結構對于工質流場影響難以判斷，任何變化（如削薄段加工刀痕，焊縫突出形狀及大小等等）都可能造成影響，在焊接過程中一定要精益求精，最大限度避免這種影響，以免再次開裂。

參考文獻：

[1]趙瑞.淺談鍋爐高溫過熱器聯箱接管座角焊縫裂紋原因[J].科學之友，2013（09）：136-137.

[2]唐彬，湯亞杰.1000t/h鍋爐末級再熱器出口集箱管座角焊縫產生裂紋的原因與措施[J].電力與能源，2014（04）：481-482.

[3]石南輝.高溫再熱器SA213—T91鋼小管焊接工藝改進[J].金屬加工：熱加工，2014（24）：40-42.