12Cr1MoV鋼焊接接頭開裂原因分析

徐衛(wèi)仙

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

某電廠的660 MW超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組的鍋爐由東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為DG1929.7/28.25-II13，投入商業(yè)運(yùn)行2 000 h左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)大包內(nèi)高溫再熱器入口管屏左數(shù)78屏前數(shù)第7根管12Cr1MoV鋼基建焊縫有粗大裂紋。

為確保機(jī)組正常運(yùn)行，對(duì)開裂的高溫再熱器12Cr1MoV鋼入口管進(jìn)行了取樣檢測(cè)，分析其開裂的原因，提出了避免發(fā)生類似事故的措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

高溫再熱器入口集箱為垂直管圈結(jié)構(gòu)，管子材料為12Cr1MoV鋼，其示意圖如圖1所示。DL/T 869—2012 火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程第5.4.4b規(guī)定，對(duì)壁厚小于8 mm的12Cr1MoV鋼管道可不進(jìn)行焊后熱處理。高溫再熱器入口管產(chǎn)生的焊接裂紋(見圖2)有如下特征：裂紋產(chǎn)生于投產(chǎn)運(yùn)行約2 000 h左右；裂紋產(chǎn)生于管子的熔合線處，沿熔合線周向擴(kuò)展。

圖1 高溫再熱器管屏示意圖

為揭示高溫再熱器入口管12Cr1MoV鋼焊接接頭開裂的原因，對(duì)開裂處的管子(φ51 mm×4 mm)進(jìn)行了取樣分析。

圖2 開裂高溫再熱器入口管的宏觀形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)開裂的高溫再熱器入口管進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn),其形貌如圖3所示，分A、B兩個(gè)斷面，均較平齊，無明顯塑性變形，表面氧化明顯，無金屬光澤，斷口附近管壁無明顯減薄和脹粗現(xiàn)象。A斷面位置1與2之間為熱影響區(qū)，斷口平齊，有少量塑性變形，氧化明顯，無金屬光澤，說明裂紋產(chǎn)生后在高溫蒸氣作用下產(chǎn)生了氧化皮[1]。剩余區(qū)域?yàn)楹缚p，斷口粗糙，有典型的撕裂斷口特征。斷口表面放射線收斂于位置3與2之間(靠近3)，并集中收斂于外表面，可初步判斷焊縫開裂源于熔合線[2]。斷口的放射狀紋路表明，裂紋起始于位置1到位置3，從緩慢擴(kuò)展到快速擴(kuò)展，最終完全斷裂。另外，B斷面有縱向裂紋，貫穿整個(gè)管壁。

2.2 微觀檢驗(yàn)

從圖3所示高溫再熱器入口管B斷面裂紋處取樣，按DL/T 884—2004火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則制備金相試樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。圖4(a)為焊縫顯微組織，為貝氏體，且有明顯的原奧氏體晶界，奧氏體晶界似有微裂紋；圖4(b)為粗晶區(qū)，有少量沿晶裂紋，且裂紋表面附著灰色氧化物；1條貫穿的主裂紋旁邊有不連續(xù)的微小裂紋，沿細(xì)晶擴(kuò)展。據(jù)此，可再次斷定裂紋起源于粗晶區(qū)。

2.3 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)高溫再熱器入口管焊接接頭斷口進(jìn)行超聲波清洗后，在SEM下觀察發(fā)現(xiàn)，除了粗大裂紋外，還有微裂紋和孔洞。由圖5可見，粗大裂紋起源于熔合線，從粗晶區(qū)向細(xì)晶區(qū)擴(kuò)展，裂紋表面覆蓋較厚的氧化層，粗大裂紋伴隨有微裂紋，微裂紋斷面上無氧化色，見圖5(a)。粗大裂紋附近有孔洞，位于晶界，特別是在三叉晶界處沿晶界呈鏈狀分布，部分孔洞已經(jīng)連通形成微裂紋，如圖5(b)所示。

對(duì)粗大裂紋內(nèi)的氧化物進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見圖6。圖6表明，粗大裂紋內(nèi)的氧化物成分為Fe和O，F(xiàn)e與O元素的原子個(gè)數(shù)比例為1∶1.25。

3 裂紋性質(zhì)分析

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，高溫再熱器入口管焊接接頭中的裂紋為再熱裂紋。其理由如下：

圖4 圖3中B斷口的微觀形貌

圖5 開裂入口管的宏觀形貌

圖6 粗大裂紋內(nèi)氧化物能譜分析

(1)裂紋產(chǎn)生于鍋爐使用中的高溫階段。

根據(jù)焊接理論[3-5]，焊接材料有一個(gè)最易產(chǎn)生再熱裂紋的溫度區(qū)，具有“C”曲線特征，不同鋼種的再熱裂紋敏感溫度區(qū)不同，CrMoV耐熱鋼的再熱裂紋敏感溫度區(qū)約為500～700 ℃。鐵的氧化物通常為FeO、Fe2O3和Fe3O4，在不同條件下生成不同的氧化物。Fe和O2直接反應(yīng)，在不超過570 ℃時(shí)生成物為Fe3O4，其Fe與O元素的原子數(shù)比例為1∶1.33；溫度高于570 ℃時(shí)，生成FeO，F(xiàn)e與O元素的原子個(gè)數(shù)比例為1∶1；Fe和O2直接化合，很難生成Fe2O3，當(dāng)溫度高達(dá)1 300 ℃時(shí)，生成的FeO才能進(jìn)一步氧化成Fe2O3，F(xiàn)e與O元素的原子個(gè)數(shù)比例為1∶1.5。能譜分析結(jié)果表明，粗大裂紋內(nèi)的氧化物均為Fe的氧化物，F(xiàn)e與O元素的原子個(gè)數(shù)比例為1∶1.25。由于Fe與O元素的原子個(gè)數(shù)比例介于1∶10～1∶1.33，因此可認(rèn)為該裂紋內(nèi)的氧化物為FeO和Fe3O4的混合物，其產(chǎn)生的溫度區(qū)間為500～700 ℃，與產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間一致。

(2)裂紋的宏微觀形貌符合再熱裂紋特征。

理論上，最易產(chǎn)生再熱裂紋的部位為焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)。微觀上，再熱裂紋具有典型的沿晶開裂特征，從熔合線粗晶區(qū)沿熔合線擴(kuò)展至細(xì)晶區(qū)。顯微組織(4(b))顯示，裂紋起源于管外壁熔合線粗晶區(qū)，止于細(xì)晶區(qū)。

(3)裂紋的3種微觀形貌符合再熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)制。

根據(jù)焊接冶金理論，再熱裂紋的形成機(jī)制為晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化或晶界弱化。Cr、Mo、V等合金元素碳化物在晶內(nèi)析出導(dǎo)致晶內(nèi)強(qiáng)化，使應(yīng)力松弛過程中產(chǎn)生的變形集中于晶界，若晶界塑性不足，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋；晶界弱化使其塑性變形性能大大降低，當(dāng)應(yīng)力松弛產(chǎn)生的變形超過晶界的塑性變形量時(shí)，就產(chǎn)生再熱裂紋。CrMoV耐熱鋼產(chǎn)生再熱裂紋的一般規(guī)律為，在HAZ粗晶區(qū)晶界形成孔洞，孔洞之間相互連接形成微裂紋，微裂紋擴(kuò)展并相互連接形成粗大裂紋。

4 高溫再熱器入口管焊接接頭開裂原因及對(duì)策

4.1 開裂原因

(1)焊接應(yīng)力較大。該焊接接頭為小口徑薄壁管與集箱短接管的對(duì)焊接頭，難免存在制造精度偏差，焊接時(shí)會(huì)有較大拘束度，導(dǎo)致焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力。

(2)使用中的溫差造成較大的熱應(yīng)力。其原因是，超超臨界鍋爐運(yùn)行溫度達(dá)580～610 ℃，機(jī)組啟、停之間造成管壁內(nèi)外側(cè)溫度不均勻。

(3)12Cr1MoV鋼具有較大的形成再熱裂紋敏感性。12Cr1MoV鋼含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素，碳含量又處于再熱裂紋形成的敏感成分范圍，具有較大的形成再熱裂紋敏感性[6-7]，敏感溫度區(qū)為500～700 ℃。該高溫再熱器入口管管壁實(shí)際溫度為580～610 ℃，長(zhǎng)期處于該敏感溫度區(qū)間，加之如上所述存在較大的內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊接接頭開裂。

4.2 應(yīng)對(duì)措施

(1)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，合理控制焊接速度、降低焊后冷卻速度；必要時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，消除焊接應(yīng)力，但必須避開再熱開裂敏感溫度區(qū)，以防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

(2)改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)，以減小拘束應(yīng)力，防止產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(3)定期對(duì)該部位焊縫進(jìn)行無損探傷。