低溫再熱器彎頭耳板角焊縫開裂原因分析

目前，很多電站鍋爐的尾部受熱面低溫再熱器、低溫過熱器都采用了耳板懸掛的形式固定。由于耳板并非直接承壓部件，所以在生產制造過程中未引起足夠重視，沒有嚴格按照技術工藝進行生產，導致承壓管道失效，出現泄漏情況。

事情經過

某公司1號爐是東方鍋爐廠生產的DG1100/17.4-Ⅱ3型號的單汽包、自然循環、循環流化床燃燒方式鍋爐，額定蒸發量1100噸/小時，過熱蒸汽出口溫度541攝氏度，出口壓力17.4兆帕。該鍋爐于2012年11月23日投入商運，自2013年1月6日低再上管組上管圈下彎頭耳板角焊縫發生第一次泄漏至5月8日，共發生4次泄漏，泄漏位置分別是左數第 50、52、39、74 排。在第2次發生泄漏后，經過分析泄漏試樣，認為焊接質量是造成低再泄漏的原因之一。

2014年6月機組小修后進行水壓試驗時，發現低再左數第36、46排有漏點，漏點位置還是低再彎頭耳板角焊縫處。經滲透檢驗發現低再耳板角焊縫沿管側熔合線開裂，對其相鄰的其他管排角焊縫進行滲透檢驗，未發現宏觀裂紋缺陷。將有宏觀裂紋的第36排、未發現宏觀裂紋的第37排及制造廠新加工低再彎頭角焊縫進行對比分析，再次分析裂紋產生原因及新彎頭是否能滿足使用要求。

由于位置較隱蔽，每次泄漏都看不見，摸不到，因此采用內窺鏡對其他部位進行檢查，由于現場灰塵較大且不易清理，均未發現其他彎頭角焊縫存在裂紋缺陷。

2014年8月利用停機時機，將低再上管組外共102根彎頭全部進行了更換，自2014年9月4日投運后至今未再發生泄漏。

設備概況

尾部煙道由規格為 Φ63.5×7毫米、材質為SA-210C膜式中隔墻隔成前后兩個煙道，前煙道布置了三組規格為Φ70×5毫米、材質自上而下為 12Cr1MoV、15CrMo、20G 的低溫再熱器，后煙道布置有四組低溫過熱器。

低再通過焊接在第一管組上管圈下彎頭的耳板吊在中隔墻隔上，支撐和固定低溫再熱器管排。該彎頭與中隔墻過熱器的間距為70毫米，距最上一根管的距離為1000毫米，距該管組最下一根管的距離為1100毫米，低再管排間距為70毫米。

管子材質為 12Cr1MoV/Φ70×5 毫米，耳板材質為1Cr20Ni14Si2，厚度為10毫米，支撐點距管彎頭距離為12毫米。

低再出口汽溫在460攝氏度左右，低再煙氣溫度在820攝氏度左右。

試驗結果

滲透檢驗結果

彎頭滲透探傷檢測發現，36號彎頭耳板與管子角焊縫熔合線一側有長約100毫米的裂紋痕跡顯示，裂紋連續，沒有張口，沿著角焊縫與管子母材熔合線開裂。另一側及37號彎頭未見其他缺陷。觀察耳板角焊縫發現焊縫波較粗糙，且存在一定的咬邊現象，說明未認真遵守焊接規范。

化學成分分析

使用3460直讀光譜儀對管子及耳板進行化學成分分析，可以看出結果符合GB5310-2008標準對12Cr1MoVG的要求，并且3根管子的化學成分差異不大。36號彎頭、37號彎頭耳板的C、S、P含量比新管彎頭耳板偏高，在不銹鋼中C、S、P一般為雜質，應盡量控制，特別是S含量一般控制在0.030%以下，P含量一般控制在0.045%以下。

金相組織

使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對彎頭焊縫及附近母材、熱影響區進行金相觀察，金相取樣見圖1、圖2、圖3，采用4%硝酸酒精和王水腐蝕，從3個試樣腐蝕后的橫截面觀察，36號彎頭試樣上有3條明顯的裂紋，除了已經開裂的裂紋1外，在旁邊還發現裂紋2，在另一側還發現裂紋3。其他兩個試樣宏觀未見開裂現象。

圖1 36號彎頭金相試樣

圖2 37號彎頭金相試樣

圖3 新管彎頭金相試樣

36號彎頭試樣裂紋1、裂紋2、裂紋3在管側熱影響區粗晶區，靠近焊縫，沿晶開裂，裂紋1、3內均可見氧化皮，說明開裂時間較長，裂紋附近組織為粗大貝氏體，12Cr1MoVG與不銹鋼焊縫之間熔合線有一條明顯的增碳層，有的地方較寬，最大達到0.08毫米，除3條明顯的裂紋外，還有部分微裂紋開裂后向焊縫延伸，多數終止于熔合線，沒有向焊縫延伸。

從裂紋2的擴展路徑看，擴展過程中出現裂紋分支，但很快分支裂紋終止，并且出現類似擠壓的碎塊，具有疲勞擴展特征。

在36號彎頭試樣耳板側熱影響區位置也發現存在沿晶開裂，沒有明顯擴展，耳板金相組織為奧氏體，未見孿晶。

37號彎頭試樣雖然沒有宏觀裂紋，但在金相顯微鏡下觀察，在圖2的6、7位置也發現沿晶開裂裂紋均在管側熱影響區粗晶區，靠近焊縫，近表面位置，裂紋附近金相組織為粗大的貝氏體，熔合線也有一條明顯的增碳層。裂紋尖端可見晶界呈鏈狀聚集。

從37號彎頭試樣裂紋產生位置分析，此類管側熱影響區裂紋產生于粗晶區，近表面位置，在運行中沿著應力方向擴展，一端向管內壁延伸，一端沿著熔合線向表面擴展，最終完全裂開，導致管子泄漏。

在37號試樣耳板側熱影響區位置（圖2中位置8、9），也發現存在沿晶開裂，沒有明顯擴展，耳板金相組織為奧氏體，未見孿晶。

36、37號彎頭試樣管側母材金相組織均為鐵素體+貝氏體，貝氏體球化2.5級，未見明顯異常。焊縫組織均為奧氏體，樹枝狀結晶。

新管彎頭試樣金相觀察未見微裂紋，管側母材金相組織為鐵素體+貝氏體，貝氏體球化2級，未見明顯異常。與36、37號彎頭試樣相比，打底焊縫組織為方向性回火馬氏體；蓋面焊縫組織為回火貝氏體。管側熱影響區金相組織熔合線上沒有明顯增碳，粗晶區組織鐵素體+貝氏體，耳板側熱影響區金相組織耳板側沒有微裂紋。

電鏡試驗

對焊縫橫截面進行能譜成分分析，定量分析結果見表1，由于樣品斷口不符合能譜定量分析條件，定量分析結果僅供參考。從表1可以看出，36、37號彎頭焊縫處檢測區域的化學成分為含高Cr、Ni的鐵基金屬，推測為不銹鋼焊材；新管彎頭焊縫蓋面層的化學成分為含 Cr、Mo、V 等的低合金鐵基金屬，推測為低合金焊材，但是焊縫打底層為含中Cr、Ni的鐵基金屬，不同于蓋面層。新管彎頭焊縫打底、蓋面應是采用不同的焊接材料，焊接工藝不同于36、37號彎頭焊縫。

對37號彎頭管側熱影響區裂紋進行電鏡觀察發現，裂紋在熱影響區沿晶開裂及擴展，在裂紋尖端表現為微孔聚合，最終導致晶界開裂，形成裂紋。

新樣管檢驗結果

金相分析表明管側母材金相組織為鐵素體+貝氏體，未見異常；耳板側母材金相組織為奧氏體，未見孿晶，焊縫組織分為兩層，打底焊縫組織為方向性回火馬氏體，蓋面焊縫組織為回火貝氏體，與能譜分析結果推測一致；焊縫熔合線未見增碳、脫碳層，熱影響區均未見明顯裂紋。與舊彎頭比較，采用了不同焊接材料，即使同一個焊縫，打底所用的焊接材料和蓋面所用的焊接材料也不相同，應是改變了焊接工藝。

試驗結果分析

從37號彎頭金相分析結果及電鏡高倍觀察結果可見，管側裂紋均產生于管側熱影響區粗晶區，近表面位置，沿晶開裂，在粗晶區沿著奧氏體晶界擴展，形成較多不連續的晶間微裂紋，并非從管子表面起裂，說明裂紋源在管子熱影響區粗晶區。從36號彎頭已完全裂開的裂紋形態分析，微裂紋形成后，在結構應力的作用下，沿著應力方向擴展，一端向管內壁延伸，具有疲勞擴展的特征，一端沿著熔合線向表面擴展，最終完全裂開，導致管子泄漏。

管側焊縫熱影響區裂紋附近金相組織為粗大貝氏體，熔合線上可見很窄的增碳帶，脫碳帶不明顯。說明碳遷移不嚴重，不是產生裂紋的原因。

從37號彎頭發現的微裂紋形態分析，裂紋發生在焊接熱影響區的粗晶區，裂紋是沿著熔合線母材側的奧氏體粗晶晶界擴展，沿晶開裂，裂紋尖端有微孔聚合特征，從產生位置分析，此類裂紋均產生在近表面，此處的焊接應力和應力集中較為明顯，從材質分析，裂紋產生在管側粗晶區12Cr1MVG側，該材料近年來發現有產生再熱裂紋的傾向，因此認為該裂紋屬于再熱裂紋，是彎頭開裂的內部原因。

表1 焊縫部位能譜定量分析結果 質量分數（wt%）

從低再彎頭的結構上分析，耳板直接焊接在低再彎頭背弧上，彎頭背弧存在壁厚減薄、不圓等現象，再加上低再管排在運行中因為膨脹產生左、右位移，對耳板產生一個彎矩，導致對角焊縫會形成了一個拉應力，從36號彎頭裂紋后期擴展走向可以看出，裂紋擴展方向是與應力方向垂直的，因此該結構應力是導致裂紋快速擴展的外部因素。

管側材料的化學成分符合GB5310-2008標準對12Cr1MoV要求，管側母材橫截面的金相組織為鐵素體+貝氏體，未見異常。焊接材料采用的不銹鋼焊條，焊縫金相組織為樹枝狀結晶奧氏體，未見異常。

耳板側材料為含鉻、鎳的奧氏體不銹鋼，化學成分C、S、P含量偏高，易與Ni形成低熔點化合物或共晶，導致晶界弱化，容易產生沿晶裂紋，這與在金相試驗中發現的耳板側熱影響區沿晶裂紋相吻合，但是由于耳板較厚，并且不銹鋼材料韌性較好，因此該裂紋沒有明顯擴展。

結論

1.焊接產生的再熱裂紋是導致低再彎頭開裂的內在原因，使角焊縫產生了裂紋源。

2.焊接熱輸入量大、焊接電流大，造成熱影響區組織粗大是造成再熱裂紋產生的主要原因之一。

3.焊縫金屬選用強度較高，管材抗塑性變形能力低，是造成裂紋產生和管側熱影響區開裂泄漏，導致早期失效的主要原因之一。

4.新彎頭焊縫檢驗結果均正常，組織未見異常，采用低配R317焊條為同種鋼焊接，對減少再熱裂紋的產生有一定作用。耳板側由于異鋼焊接，但由于耳板較厚，并且不銹鋼材料韌性較好，裂紋擴展較慢，能較有效避免泄漏。