熱電廠主蒸汽母管焊縫裂紋的原因分析和預(yù)防措施

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司 馮宏

前言

熱電廠主蒸汽管道母管是連接鍋爐系統(tǒng)和汽輪發(fā)電機系統(tǒng)的主要設(shè)備樞紐，在熱電廠的的金屬安全監(jiān)督工作中是不可忽視的重要環(huán)節(jié)。由于主蒸汽母管運行參數(shù)高、安裝工藝復(fù)雜、施工控制難度大，所以在材料設(shè)計采購、安裝焊接和運行中都可能發(fā)生危及生命和重大設(shè)備安全運行的事故發(fā)生。本文以一則主蒸汽母管在特種設(shè)備檢測中發(fā)現(xiàn)的多處母管焊縫裂紋現(xiàn)象為例，分析裂紋的成因，并提出整改和預(yù)防措施。

2018年2月，嘉興新嘉愛斯熱電有限公司委托特檢院對主蒸汽母管進行全面檢驗，在對焊縫進行超聲和磁粉檢測時，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)主蒸汽管三通和多處焊縫處均存在大小不一的橫向裂紋，具體如圖1～4。

圖1

圖2

圖3

圖4

公司對此高度重視，對其他主蒸汽母管焊縫進行了全面檢查檢測，在其他部位的焊縫也發(fā)現(xiàn)一些裂紋。部分裂紋比較細小淺薄，經(jīng)過打磨可以消除；部分裂紋比較深，個別已經(jīng)貫穿管壁厚度80%，嚴重影響機組的安全運行。

公司立即對所有的焊縫裂紋進行了消除、重新焊接、熱處理和重新檢測，確保機組的安全運行。并對有代表性的焊縫和管道進行采樣，委托特檢院進行分析以查找原因。

1 運行工況

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司主蒸汽母管管道材質(zhì)是12Cr1MoVG，三通規(guī)格φ273x25，管道規(guī)格是φ273x20，主蒸汽管工作壓力9800千帕，使用溫度540℃。根據(jù)TSGG0001-2010《鍋爐安全監(jiān)察技術(shù)規(guī)程》，12Cr1MoVG中使用溫度≤580℃。

管道開始服役時間：2006年9月，至今90000小時。

焊接方法：底道焊縫GTAW（鎢極惰性氣體保護焊）/二道、中間層、蓋面層SMAW（手工電弧焊）；坡口形式：V型坡口；焊絲牌號TIG-R31，焊條型號R317；預(yù)熱溫度200～300℃，焊后處理溫度是720℃ ～750℃[1]。

2 材料和安裝工藝檢查

2.1 焊接工藝資料核查

對當時2006年的安裝施工資料檔案進行查詢，查到部分安裝公司的焊接專業(yè)施工組織設(shè)計和主蒸汽管道焊接作業(yè)指導(dǎo)書，由于時間較長，沒有找到焊接工藝評定報告。

2.2 材料檢查

分別從焊縫位置和兩側(cè)母材取樣，委托特檢院進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1和表2，材料基本符合合金鋼的合金元素含量，不存在材料用錯和材料替代。

2.3 技術(shù)規(guī)范符合性檢查

檢查了主蒸汽母管母材和焊材選用使用以及匹配性，符合DL/T869-2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要求。也查閱了相關(guān)運行記錄，沒有查到相關(guān)違反技術(shù)規(guī)范資料的情況。

3 檢驗檢測情況

委托省特檢院進行了失效分析，特檢院采用宏觀結(jié)構(gòu)分析與微觀研究相結(jié)合的方法從力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)成分、金相組織、材料力學(xué)性能、斷面分析等進行分析，以下是特檢院對采樣的分析情況：

3.1 裂紋宏觀分析

裂紋宏觀如圖5和圖6所示：

圖5 裂紋宏觀照片（焊縫橫向裂紋）

圖6 裂紋宏觀照片（焊縫橫向裂紋）

裂紋徑向方向深度約為10毫米，焊縫橫向方向長度約為20毫米，裂紋從一側(cè)熔合區(qū)擴展到另一側(cè)的熔合區(qū)。

3.2 化學(xué)成分分析

分別從焊縫位置和兩側(cè)母材取樣，進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1和表2。

蒸汽管材料為12Cr1MoVG，參照GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG材料成分要求，除粗管段母材中S元素，化學(xué)成分檢測結(jié)果符合標準要求；焊縫處焊絲材料為R31，焊條材料為R317。焊絲材料化學(xué)成分除Mn、Si元素外，檢測結(jié)果滿足DL/T869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》。

3.3 力學(xué)性能分析

3.3.1 分別從焊縫和母材位置取拉伸試樣

#1試樣是母材處，#2和3#試樣中心位置是焊縫處。

3.3.2 顯微硬度分析

對焊縫處從內(nèi)表面到外表面沿徑向打20個點，做顯微硬度分析，見表4；從熔合區(qū)到焊縫中心沿焊縫橫向打14個點，做顯微硬度分析，見表5。

根據(jù)GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》和DL/T869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，材料力學(xué)性能滿足標準要求。通過表5可以看出焊縫處靠近熔合區(qū)硬度位置偏高[2]。

3.4 金相分析

裂紋徑向金相如圖7-10：

圖7 拋光態(tài)下的徑向裂紋1（50倍近表面）

圖8 拋光態(tài)下的徑向裂紋2（50倍近表面）

圖9 拋光態(tài)下的徑向裂紋3（50倍心部）

表1 主蒸汽管焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）

表2 蒸汽管母材化學(xué)成分分析結(jié)果（wt%）

表3 拉伸試驗結(jié)果

表4 徑向維氏硬度值（HV）

表5 橫向維氏硬度值（HV）

圖10 拋光態(tài)下的徑向裂紋4（50倍心部）

裂紋從焊縫外表面往材料內(nèi)部擴展，在裂紋尖端處（距表面約為10毫米處）出現(xiàn)很多微裂紋。

焊縫橫向方向的裂紋如圖11-12：

圖11 橫向裂紋（近熔合區(qū)處 50倍）

圖12 橫向裂紋（近焊縫中心位置 50倍）

裂紋在近表面沿原奧氏體晶界處開裂，裂紋起源于焊縫與母材交界處粗晶區(qū)，終止于焊縫橫向中心位置細晶區(qū)。如圖13-14：

圖13 微裂紋形成位置400倍

圖14 微裂紋形成位置1000倍

3.5 掃描電鏡

掃描電鏡對裂紋進行掃描，如圖15-17：

圖15 裂紋尖端空位開裂

圖16 微裂紋的形成

圖17 空位開裂

4 結(jié)果分析

根據(jù)檢驗檢測情況，特檢院作出以下分析結(jié)果[3]：

焊絲化學(xué)成分中錳、硅元素不符合DL/869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求，粗段母材處硫元素不符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG材料成分要求，但是裂紋位于焊條材料覆面焊的近表面位置，受焊絲和母材材質(zhì)影響不大；

根據(jù)再熱裂紋經(jīng)驗公式：

△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2=2.406＞0

說明材質(zhì)再熱裂紋傾向很大。

根據(jù)GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》和DL/T869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，焊接處力學(xué)性能滿足標準要求。通過表5可以看出焊縫靠近熔合區(qū)處維氏硬度偏高。

該裂紋是近表面橫向裂紋，裂紋呈斷續(xù)分布。

通過金相和掃描結(jié)果可以看出：主裂紋起源于焊縫熔合區(qū)粗晶處，終止于焊縫中間細晶處；焊縫內(nèi)部組織是網(wǎng)狀鐵素體+粒狀貝氏體；該裂紋屬于沿晶裂紋，晶界上富集碳、錳、鉻元素形成的碳化物弱化了晶界。

該裂紋屬于再熱裂紋，服役溫度（540℃）屬于再熱裂紋的形成溫度區(qū)間（500～700℃）。12Cr1MoVG鋼含有鉻、鉬、釩等強碳化物形成合金元素，管道的壁厚比較大，該焊接接頭又處于三通位置，應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，容易在焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中；長時間的高溫狀態(tài)下服役，合金元素容易在晶界處析集，導(dǎo)致沿晶開裂。

根據(jù)以上結(jié)論推定采樣裂紋屬于再熱裂紋，在長期高溫高壓服役狀態(tài)下，合金元素在靠近焊縫熔合區(qū)域粗大的晶界出析集，并在殘余應(yīng)力的綜合作用下，晶界處出現(xiàn)空位缺陷，焊縫熔合區(qū)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了微裂紋，這些裂紋隨著熱疲勞逐漸擴展慢慢形成大裂紋。

5 結(jié)論及預(yù)防措施

5.1 結(jié)論

熱電廠主蒸汽母管在長期高溫高壓服役狀態(tài)下，焊縫熔合區(qū)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下可能會在靠近焊縫熔合區(qū)域產(chǎn)生了微裂紋，這些裂紋隨著熱疲勞逐漸擴展慢慢形成大裂紋。

5.2 預(yù)防措施

熱電廠主蒸汽母管在項目建設(shè)過程中，不僅必須嚴格控制主蒸汽管道材質(zhì)而且要嚴格控制焊條材料材質(zhì)，各項合金元素必須在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。對于旁路、三通、疏水管、流量計、法蘭彎頭、管接座、疏水管接口、流量噴嘴等嚴格控制材料質(zhì)量，不得用錯，不得使用有缺陷的材料產(chǎn)品。

熱電廠主蒸汽母管在建設(shè)安裝過程中，對于旁路、三通、疏水管、流量計、法蘭彎頭、管接座、疏水管接口、流量噴嘴等部位的焊接尤其要注意控制焊接工藝和焊接質(zhì)量[4]，嚴格按照DL/869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求執(zhí)行，在定期檢查過程中重點防范。

熱電廠嚴格按照TSG2001《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，在規(guī)定期限內(nèi)定期對鍋爐、壓力容器、壓力管道進行全面的檢查監(jiān)督，對于出現(xiàn)焊縫裂紋、材質(zhì)球化等級達到4級或以上的及時進行更換整改，消除安全隱患。對于一定服役期限的熱電廠應(yīng)把主蒸汽母管列為重點金屬監(jiān)督對象，依法依規(guī)實施監(jiān)督檢驗。

[1]DL/869-2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》

[2]TSG2001《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

[3]《失效分析報告》浙江省特種設(shè)備檢驗研究院

[4]《主蒸汽管道焊接裂紋分析及預(yù)防措施》趙萬江《黑龍江電力技術(shù)》1999.6