低溫再熱器異種鋼焊接接頭開裂原因分析

中國特種設備檢測研究院 徐光明 楊喜勝 華能汕頭電廠 林志福蘇州熱工研究院有限公司 彭學文

1 機組概況

某電廠2號機組鍋爐型號為S G-3093/27.46-M533，是上海電氣集團上海鍋爐廠有限公司生產的1000MW超超臨界參數直流鍋爐，最大連續蒸發量3093t/h，過熱器出口額度蒸汽壓力27.46MPa，過熱器出口額定蒸汽溫度605℃，再熱器出口額定蒸汽壓力5.85MPa，再熱器出口額定蒸汽溫度603℃。

2014年9月26日，2號機組鍋爐運行中發生泄漏，泄漏報警位置在低溫再熱器出口集箱附近。經停爐檢查，發現爐后側低溫再熱器左數第10屏爐前向后數第2根管子與出口集箱管座對接接頭處開裂。圖1為開裂位置割管取樣實物照片。

圖1 低溫再熱器焊接接頭開裂

圖2 表面裂紋長度測量

2 資料查閱

2號機組鍋爐于2010年至2011年安裝，2011年4月投入運行。截止至2014年9月26日，累計運行約2.2萬小時。2012年2月累計運行約為6000小時，對該鍋爐進行了首次內部檢驗，低溫再熱器系統未發現明顯缺陷。在同年12月進行的鍋爐外部檢驗過程中，也未發現有低溫再熱器出口集箱附近的蒸汽泄漏情況。

該焊縫為鍋爐廠制造異種鋼焊接接頭，其坡口型式為V型，采用GTAW全位置焊接方式，管側材質為12Cr1MoVG，管座側材質為SA-213T91，規格均為Φ63.5×4.5mm，設計壓力5MPa，設計蒸汽溫度為500℃。

對于12Cr1MoVG/T91焊接材料的選擇，國外傾向采用高匹配，國內電力行業標準推薦采用低匹配[1-2]，實際上國內鍋爐廠制造時采用高匹配較多，而國內安裝現場采用低匹配較多，一般都能滿足其性能要求，但有其各自特點[3-4]。

3 試驗與分析

為分析泄漏原因，特取該開裂焊口及其管側200mm母材作為分析用樣管，并進行下列試驗。

3.1 宏觀及尺寸測量

經測量，樣管母材外徑為63.8mm，壁厚為4.6mm，表面可見裂紋的長度約150mm，見圖2。從圖1、圖2可以看出，裂紋位置位于焊接接頭管側熔合線附近，焊縫成形外觀良好，焊縫寬度8～10mm，焊縫余高約2mm。

3.2 化學成分測試

對樣管母材及焊縫金屬進行化學成分分析，分析結果見表1和表2。

從表1樣管母材化學成分分析結果可見，樣管管側母材化學成分符合GB5310-2008中12Cr1MoVG化學成分標準（管座側母材尺寸較小，無法進行化學成分檢測）。

從表2樣管焊縫金屬與T91焊絲化學成分對比可以看出，焊縫金屬化學成分與T91焊絲化學成分相符，即采用了高匹配形式。

3.3 硬度檢測

對管樣焊接接頭縱剖面進行焊接接頭硬度分布檢測，測點距離試樣外表面1mm，檢測結果如圖3所示。

從圖3可以看出，該異種鋼焊縫金屬硬度均在320HV左右（布氏硬度約303HB），超過了DL/T752-2001中對該異種

表1 樣管母材化學成分分析結果

表2 樣管焊縫金屬與T91焊絲化學成分對比

圖3 焊接接頭硬度分布

3.4 金相檢測及裂紋檢測

對樣管母材、焊縫金屬以及裂紋進行金相檢測，結果見圖4～圖8。

圖4 管側母材金相組織

圖5 管座側母材金相組織

圖6 焊縫金相組織

圖7 裂紋截面

圖8 衍生裂紋

從圖4可以看出，管側母材組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，符合GB5310-2008對12Cr1MoVG材料的組織規定，母材球化評級為I級。

從圖5可以看出，管座側母材組織為回火馬氏體。

從圖6可以看出，焊縫金相組織為馬氏體。

從圖7可以看出，熱影響區組織為馬氏體+鐵素體+珠光體組織，裂紋產生在12Cr1MoVG側熔合線外貼近熔合線的熱影響區內，主裂紋拓展形式為沿晶開裂，裂紋方向平行于熔合線。

從圖8可以看出，在裂紋旁邊的熱影響區內，也存在多條垂直于熔合線方向的沿晶開裂的衍生裂紋。

4 原因分析

4.1 化學成分測試分析

根據DL/T752-2001規定，12Cr1MoVG與SA-213T91異種鋼焊接焊材選用應采用就低原則或中間原則，但該異種鋼焊縫實際采用了高匹配焊材。

4.2 硬度檢測分析

通過樣管硬度檢測結果可以看出，該焊接接頭整體硬鋼焊縫硬度的規定范圍（不超過高合金側母材硬度值加100HB且不超過270HB），同時T91側熱影響區硬度高達到了350HV（布氏硬度約330HB）。度偏高。從焊縫硬度可以看出，該焊接接頭未經過熱處理或熱處理效果未達到要求，造成焊縫和熱影響區具有較大的脆性，斷裂傾向比較高。而對于異種鋼的焊接接頭，由于兩種鋼在化學成分、組織結構、機械性能及熱物理性能上有較大差異，導致焊接接頭內通常存在較高的焊接殘余應力[5-7]，因而焊縫和熱影響區硬度值出現明顯偏高現象。

4.3 焊縫金相組織及裂紋檢測分析

通過樣管焊縫金相組織檢測結果可以看出，該焊接接頭焊縫組織為淬火馬氏體組織，與該焊縫采用高匹配焊材一致。采用高匹配焊材焊接時，由于[Cr]與[C]有更高的親和力，在焊接過程中，12Cr1MoVG母材中碳原子向熔池擴散，凝固冷卻后在焊縫形成了碳過飽和的淬火馬氏體組織，在12Cr1MoVG側熱影響區內含碳量減少而形成脫碳層，在未進行焊后熱處理或熱處理不當的前提下，該側熱影響區強度降低，同時，焊接熱循環造成的平直的晶界也加劇了該區域強度的下降而成為焊接接頭薄弱位置。

從裂紋形態、產生部位、裂紋方向，結合圖6焊縫金相組織，可以綜合判斷該裂紋屬于應力開裂。在承載、膨脹、變形過程中，晶粒粗大、晶界平直的低合金側熱影響區產生微裂紋，隨后微裂紋沿晶界擴展形成宏觀裂紋。

通過上述試驗及分析可知，該低溫再熱器管焊接接頭開裂原因為鍋爐廠家生產時錯將T91專用焊絲用于12Cr1MoVG與SA-213T91異種鋼焊口，同時在焊接完成后并沒有進行相應的熱處理或熱處理不當，導致12Cr1MoVG側熱影響區出現脫碳層，降低了強度，同時，熱影響區平直的晶界也導致了該區域承載能力的降低，受鍋爐的啟停、負荷波動等影響，該焊接接頭在該部位形成微裂紋，隨著運行時間的延長，微裂紋沿著平直的粗晶區晶界擴展形成主裂紋，主裂紋擴展導致泄漏事故發生。

5 結論及建議

通過上述試驗及分析，綜合判斷出該焊縫裂紋屬于應力開裂。

根據該焊接接頭開裂的失效原因，提出如下建議：

（1）對低溫再熱器同類型焊接接頭進行100%光譜檢測與表面無損檢測抽查；

（2）對開裂焊接接頭進行返修處理，在返修過程中應選擇正確的焊接工藝和熱處理工藝，并進行光譜復查和無損檢測；

（3）后續檢修加強對此類焊縫的金屬監督檢查。

[1].DLT752-2010.火力發電廠異種鋼焊接技術規程[S].

[2].葛兆祥,王學.高強匹配T91/12Cr1MoV異種鋼焊接接頭力學性能[J].焊接,2004,3(11)：18-21.

[3].陳欣.T91與12Cr1MoV異種鋼焊接分析[J].焊接技術,2002,3(1)：16-18.

[4].張倫,袁啟民,張懷曾.T91＋12Cr1MoV異種鋼焊接工藝的試驗研究[J].河北電力技術,2003,22(2)：24-26.

[5].Gao W,Jiang Y,Gong J,et al. Numerical Simulation and Analysis of Welding Residual Stress in T91/12Cr1MoV Dissimilar Welded Joint[J].Proceedings of the CSEE,2012(26)：018.

[6].高巍,姜勇,鞏建鳴,等.T91/12Cr1MoV異質接頭殘余應力模擬與分析[J].中國電機工程學報,2012,32(26)：126-130.

[7].楊新宇,姜勇,高巍,等.焊接順序及熱處理對T91/12Cr1MoV異質接頭殘余應力影響的數值分析[J].電焊機,2016(4)：17-21.