電站鍋爐過熱器接頭管開裂原因分析

■ 馬豎

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1. 概述

某電廠2號鍋爐是從日本三菱重工成套引進(jìn)的機(jī)組，于1983年11月投入運(yùn)行。鍋爐結(jié)構(gòu)為半露天型式，可以混燒高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和煤，最大持續(xù)出力1160t/h，額定功率350MW。2017年12月，電廠對該鍋爐一級過熱器進(jìn)行改造，改造后的機(jī)組啟停不久即發(fā)生一級過熱器管開裂泄露。一級過熱器管母材材質(zhì)為12Cr1MoV，運(yùn)行溫度約400℃，泄露位置位于U形彎水平段的同種鋼焊接接頭處。

泄露處焊縫為現(xiàn)場安裝焊縫，采用的焊接工藝為GTAW工藝，焊前未進(jìn)行預(yù)熱，焊后未進(jìn)行回火熱處理。為了查明管段開裂原因，防止過熱器管再次泄露或爆管發(fā)生，電廠隨后將泄露管割下，對泄露管和臨近的一段未泄露的對比管進(jìn)行了各項(xiàng)檢測分析。

2. 試驗(yàn)方法和結(jié)果

（1）宏觀檢查 圖1為泄露管和對比管焊接接頭宏觀形貌，按照管子在鍋爐的原始位置，將泄露管和對比管分別編號為18-5和17-3。檢查發(fā)現(xiàn)，泄露管18-5焊接接頭熔合線位置存在一環(huán)向裂紋，裂紋開口較小，長度約90mm。裂紋中部有一段長約25mm，由裂紋內(nèi)凸出且顏色發(fā)亮的線狀金屬物。對比管17-3在焊縫附近有吹損減薄特征，但未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。泄露管及對比管在焊縫附近均存在一定的彎度。

（2）化學(xué)成分分析 表1為泄露管18-5和對比管17-3接頭兩側(cè)母材取樣化學(xué)成分分析結(jié)果。結(jié)果表明，兩管段母材取樣化學(xué)成分均滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV鋼化學(xué)成分要求。

圖1 焊接接頭宏觀形貌

表1 化學(xué)成分

（3）力學(xué)性能測試 根據(jù)試驗(yàn)需要分別對兩管段不同位置取樣，進(jìn)行室溫和高溫（400℃）拉伸試驗(yàn)、焊接接頭室溫沖擊性能試驗(yàn)、以及母材和焊接接頭硬度測試。其中焊接接頭沖擊試驗(yàn)中，由于壁厚限制，試樣采用2.5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣。各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果分別如表2～表4所示。

由表2～表4試驗(yàn)結(jié)果可見，各取樣位置室溫及高溫（400℃）拉伸性能均滿足GB 5310對12Cr1MoV鋼性能要求。泄露管焊縫的沖擊韌性相對明顯較低，表明接頭位置脆性較大。對比管兩側(cè)母材及焊接接頭硬度，以及泄露管接頭兩側(cè)母材硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但泄露管焊縫的硬度值超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值。

（4）金相組織檢驗(yàn) 圖2為泄露管18-5焊接接頭及附近母材取樣微觀組織形貌。接頭一側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體（見圖2a），另一側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體+貝氏體（見圖2b），組織正常。焊縫組織為貝氏體，組織較為粗大（見圖2c），裂紋位于熱影響區(qū)粗晶區(qū)，開裂特征為典型的沿晶開裂（見圖2e）。亮白色線狀金屬呈近似倒三角形嵌于裂紋中（見圖2f）。

圖3為對比管取樣的微觀組織形貌。接頭兩側(cè)母材（見圖3a、圖3b）組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，組織正常。焊縫（圖3c）組織為貝氏體，焊縫內(nèi)可見多處沿晶微裂紋。

表2 室溫及高溫（400℃）拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表4 接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 （HV）

圖2 泄露管取樣微觀組織形貌

圖3 對比管取樣微觀組織形貌

（5）掃描電鏡（及能譜分析） 將開裂泄露管沿裂紋位置打開，置于掃描電鏡下進(jìn)行斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖4所示。結(jié)果表明，斷口各區(qū)域均為典型的沿晶斷口特征，斷口靠近外壁側(cè)的氧化程度略重于內(nèi)壁側(cè)的氧化程度，從斷口各區(qū)域的氧化程度并結(jié)合斷面上隱約可見的擴(kuò)展放射線判斷，裂紋的主擴(kuò)展方向應(yīng)為由外壁側(cè)向內(nèi)壁側(cè)擴(kuò)展。

3. 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜上理化檢驗(yàn)結(jié)果，泄露管裂紋中部有一段長約25mm、由裂紋內(nèi)向外凸出的亮白色線狀金屬物，線狀金屬截面呈倒三角形，嵌在裂紋內(nèi)，與基體熔合較差。這些特征表明，該線狀金屬區(qū)初始可能存在未熔合缺陷，發(fā)現(xiàn)后未按規(guī)程進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊時(shí)存在補(bǔ)焊區(qū)域未經(jīng)清理，焊絲錯用等問題，導(dǎo)致了補(bǔ)焊金屬和基體間熔合不良，補(bǔ)焊區(qū)呈現(xiàn)為凸起的線狀發(fā)亮金屬物。該區(qū)域也成為應(yīng)力集中區(qū)，機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行后，裂紋即在此處萌生并快速擴(kuò)展至發(fā)生泄漏。

裂紋位于粗晶區(qū)，表現(xiàn)為典型的沿晶開裂裂紋特征，符合再熱裂紋的位置特征和形貌特征。12Cr1MoV鋼為鉻鉬系低合金珠光體耐熱鋼，焊接性能優(yōu)良，在580℃以下具有較好的抗氧化和耐蝕性能，廣泛應(yīng)用于我國電站鍋爐的過熱器、再熱器、蒸汽管道等高溫部件。但12Cr1MoV鋼中合金元素均為碳化物形成元素，有析出強(qiáng)化作用，容易在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋。

圖4 接頭斷口宏觀和微觀形貌

綜合分析表明，此次爆管是由于該管段存在焊接缺陷，機(jī)組運(yùn)行后，在焊接缺陷位置發(fā)生了再熱裂紋的萌生和快速擴(kuò)展。值得一提的是，焊前無預(yù)熱處理，以及焊接熱過程中熱輸入量過大（表現(xiàn)為焊縫晶粒粗大）等因素也會促進(jìn)再熱裂紋的萌生。

泄露管18-5焊縫硬度偏高，韌性不足，以及晶粒粗大的問題，這是由于施工環(huán)境氣溫較低（上海市11月份，溫度約15℃），焊前未進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后冷速過快造成的。同時(shí)，晶粒粗大也表明了焊接時(shí)存在焊接熱輸入量過大的問題。

而關(guān)于對比管17-3焊縫內(nèi)存在較多的沿晶裂紋，從裂紋特征以及分布位置來看，該裂紋屬于焊接熱裂紋。焊縫一次結(jié)晶組織的晶粒越粗大，結(jié)晶方向性越強(qiáng)，就越容易促使夾雜偏析，在結(jié)晶后期越容易形成連續(xù)的液態(tài)共晶薄膜，增加熱裂紋的傾向。焊接接頭溫度分布不均勻，冷卻速度過快，以及接頭厚度較大或受到拘束較強(qiáng)時(shí)，焊接熱裂紋較容易產(chǎn)生。

4. 結(jié)論和建議

通過上述檢驗(yàn)結(jié)果及分析，導(dǎo)致泄露管開裂的原因?yàn)椋己附尤毕菀鸬膽?yīng)力集中導(dǎo)致了泄露管接頭位置裂紋萌生，裂紋在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)以再熱裂紋的形式進(jìn)行擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭位置開裂泄露。對比管焊縫中較多的沿晶裂紋為焊接時(shí)工藝控制不當(dāng)（如熱輸入過大、焊縫冷速過快等）導(dǎo)致的焊接熱裂紋。

（1）對同類型的接頭進(jìn)行監(jiān)督運(yùn)行，如條件允許建議定期進(jìn)行普查，避免超標(biāo)缺陷或微裂紋擴(kuò)展引起的爆管。

（2）在后期施工中，特別是環(huán)境溫度較低時(shí)，建議增加焊前預(yù)熱及焊后熱處理工序，并控制好焊接熱輸入量，以確保達(dá)到優(yōu)良的焊接質(zhì)量。