某電廠300MW供熱機組中溫過熱器焊縫開裂原因分析

劉天佐 張永法

摘 要：本文針對某電廠300MW供熱機組中溫過熱器焊縫開裂問題，進行了宏觀檢查、硬度試驗、金相組織檢驗及掃描電鏡微觀形貌分析，最終確定中溫過熱器焊縫開裂的主要原因是應力腐蝕開裂。

關鍵詞：應力腐蝕；中溫過熱器；焊縫開裂；原因分析

中圖分類號：TK226 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0166-02

1 概述

某電廠300MW供熱機組于2006年10月投產運行，中溫過熱器材料為12Cr1MoVG、規格φ51×5mm，出口集箱管座規格φ51×8mm，數量116根。2018年9月6日鍋爐泄漏，停爐后檢查中溫過熱器出口管道直管段焊縫開裂數量約22根，主要在爐子左側，中心線右側有三根焊縫開裂，帶彎頭的集箱管座未開裂，集箱管座與密封盒焊接，未留安裝密封盒膨脹節，接頭管開裂位置如圖1所示。抽取三段有代表性的接頭管分析開裂原因，取樣接頭管宏觀照片如圖2所示。

2 試驗內容

（1）宏觀檢查發現，編號為7#、13#的兩根管段在接頭焊縫附近有開裂，編號37#的管段未發現明顯的宏觀裂紋。為使裂紋更清晰可見，將三根管段進行滲透著色檢測（PT檢測），7#管表面存在一條較為明顯的裂紋，裂紋主要沿焊縫熔合線環向開裂；13#管表面出現多條裂紋，部分裂紋穿過焊縫或母材；37#管外壁表面未見明顯的裂紋顯示。

將管段縱向剖開，對管段內壁宏觀檢查，如圖3-圖5所示。7#和13#管內壁熔合線附近能發現多條裂紋，裂紋沿熔合線或靠近熔合線的熱影響區平行于焊縫環向分布；焊縫在內壁側成型較差，局部位置能看到輕微咬邊缺陷。37#管內壁表面未發現明顯的裂紋。

在上述剖開管段內外壁表面同時進行PT檢測，由圖可見，7#和13#管內壁裂紋數量和長度明顯大于外壁側，內壁側裂紋均位于焊接接頭熔合線位置或熔合線附近的母材熱影響區，且內壁裂紋的開裂寬度大于外壁裂紋。由此可見，兩接頭管段裂紋由內壁側的熔合線位置或母材熱影響區生成，向外壁側擴展，最終穿透整個管段厚度。37#管內外壁表面均未發現明顯的裂紋存在。

（2）化學成分分析結果表明，三根取樣接頭管薄壁側母材取樣化學成分均符合GB 5310對12Cr1MoVG鋼管化學成分要求。

（3）三根取樣管薄壁側母材取樣橫截面布氏硬度測試結果表明，取樣管布氏硬度值均符合DL/T 438標準對12Cr 1MoV鋼管硬度要求。

表1為三根管焊縫維氏硬度檢驗結果，根據DL/T 869規定：“同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100（HBW），且不超過下列規定：合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW；合金總含量小于10%，且不小于3%，布氏硬度值不大于300HBW?！笨梢?，上述接頭焊縫硬度值均高于厚壁側母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T 869標準的規定。

（4）薄壁側母材管取樣金相檢驗，結果表明，三管段母材基體組織均為鐵素體+貝氏體，內壁側有輕微脫碳，局部區域有少量顯微凹坑和軋折，但深度較小。

三管段接頭兩側母金相檢驗結果表明，金相組織相同，厚壁側顯微組織為鐵素體+珠光體，薄壁側顯微組織為鐵素體+貝氏體；焊縫顯微組織為少量鐵素體+貝氏體，焊縫與兩側母材熔合良好，未發現氣孔、夾渣等缺陷；7#和13#管均存在多條裂紋，且主裂紋邊上有較多的二次裂紋分叉現象，具備應力腐蝕開裂特征；裂紋擴展方式為穿晶+沿晶混合形式；根據二次裂紋方向可以判定，上述裂紋均為內壁側向外壁側擴展，如圖6-圖8所示。

（5）掃描電鏡微觀形貌分析，7#、13#兩管內壁裂紋附近均有較多的氧化產物，且有較多微裂紋存在，且兩管段裂紋附近內壁側腐蝕產物中均有Na、Al、P等元素存在。

3 分析與討論

取樣管7#、13#內壁側熔合線附近均存在多條裂紋，裂紋主要位于焊縫熔合線或母材熱影響區，沿熔合線或熱影響區平行于焊縫環向開裂；根據內外壁裂紋宏觀形貌對比可以看出，兩接頭管裂紋均由內壁側的熔合線位置或母材熱影響區生成，向外壁側擴展，并最終穿透整個管壁。焊縫在內壁側成型質量較差，局部位置能看到輕微咬邊缺陷。咬邊會減少焊縫位置母材的有效承截面積，并且在咬邊位置引起應力集中，特別是低合金高強鋼的焊接，咬邊的邊緣組織被淬硬，易引起裂紋。

接頭管母材化學成分及硬度值均符合相關標準規定，可基本排除開裂側母材不合格導致開裂的可能性。

接頭維氏硬度試驗結果表明，焊縫硬度值顯著高于兩側母材硬度值，且均高于厚壁側母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T869標準的規定，表明焊接工藝控制不佳。

三管段薄壁側母材基體顯微組織均為鐵素體+貝氏體，內壁側有輕微脫碳，局部區域有少量顯微凹坑和軋折，但深度較小。厚壁側顯微組織為鐵素體+珠光體。焊縫與兩側母材熔合良好，未發現氣孔、夾渣等缺陷；7#和13#管均存在多條裂紋，且主裂紋邊上有較多的二次裂紋分叉現象，具備應力腐蝕開裂特征；裂紋擴展方式為穿晶+沿晶混合形式；根據二次裂紋方向可以判定，上述裂紋均為內壁側向外壁側擴展。

掃描電鏡微觀觀察可見，兩開裂管段內壁裂紋附近均有較多的氧化產物，且有較多微裂紋存在。對裂紋附近近內壁側腐蝕產物進行能譜分析顯示，腐蝕產物中均有Na、Al、P等元素存在。經排查煮爐藥液的成分為氫氧化鈉和磷酸三鈉可知，上述Na、Al、P等元素在裂紋附近內壁側附著，為煮爐過程中飽和蒸汽攜帶的堿液所致。

結合圖1，開裂管段均位于中溫過熱器出口集箱的直管座上，而在帶彎頭的管座位置未發現開裂。結合鍋爐結構分析，在管段受熱變形時，管段在軸向的伸縮變形受限，導致焊縫接頭位置產生較高的拘束應力。帶彎頭的管座由于有彎頭的應力釋放作用，相比直管座拘束應力要低。焊縫本身焊接質量不佳，包括內壁側熔合線位置存在咬邊等缺陷、焊縫硬度過高等，也在一定程度上造成了熔合線及熱影響區產生較高的附加應力。在上述應力和堿液的共同作用下，最終導致焊縫沿熔合線及母材熱影響區等薄弱環節開裂。

4 結論及建議

通過對裂紋管宏觀檢驗及各項理化性能檢驗，得出如下結論：

接頭開裂原因為，在煮爐過程中，該位置結構應力大，且焊接質量不佳使得接頭位置產生了較高的附加應力，在較高的應力及堿液的共同作用下，最終導致接頭應力腐蝕開裂。

針對上述分析，建議如下：

（1）優化鍋爐密封結構，盡量降低開裂管段位置由于管段熱脹冷縮產生的拘束應力。（2）擴大對現有相同結構及相鄰位置焊縫的檢測，利用超聲、相控陣等手段對接頭位置進行裂紋檢測，對發現裂紋的焊縫及早處理。（3）提高焊接質量，嚴格控制焊接工藝，降低接頭位置殘余焊接應力。（4）煮爐期間，加強對汽包液位監視和汽水分離控制，堅決避免堿液漫入過熱器，也盡量減少飽和蒸汽攜帶堿液量。

參考文獻

[1] 張棟，鐘道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2013：132.