末級再熱器穿頂棚密封處開裂原因分析

蘇州熱工研究院有限公司 董培欣 彭學(xué)文 傅恩敏 陳雙全 劉獻(xiàn)良

某1000MW 電站鍋爐采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的高效超超臨界參數(shù)直流π形鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、雙切圓燃燒方式，爐頂設(shè)大屋蓋。機(jī)組為新建安裝機(jī)組，在進(jìn)行風(fēng)壓試驗時發(fā)現(xiàn)末級再熱器管（簡稱末再管）出口段穿頂棚密封盒處套管與末再管角焊縫部位出現(xiàn)漏氣，割管后發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋。末再管材質(zhì)SA-213 TP310HCbN，規(guī)格Φ57×5mm；套管材質(zhì)SA-213 TP347H，規(guī)格Φ70×5mm；角焊縫填充焊絲牌號ENiCrFe-2，規(guī)格Φ3.2mm。取樣管宏觀照片見圖1。

圖1 開裂管宏觀照片

1 相關(guān)情況

1.1 宏觀檢查及取樣

末再管及套管內(nèi)外壁表面未見軋折、折疊、結(jié)疤、直道、裂紋等宏觀缺陷，也未見管段脹粗、減薄等。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，末再管與套管中心不重合，出現(xiàn)兩管壁間隙寬窄不同的情況，見圖2（a），間隙變化與裂紋位置關(guān)系見圖2（b）。將管段沿焊縫附近切下并沿縱向剖開，內(nèi)外壁宏觀形貌見圖3。焊縫外壁側(cè)裂紋位于焊縫熔合線位置，裂紋長度約15mm（因有油漆層，裂紋兩端不易觀察，實際長度大于15mm）。內(nèi)壁側(cè)裂紋整體上較為平直，長度約20mm。對末再管編號Z、套管編號T，根據(jù)宏觀檢查結(jié)果對樣管取樣，取樣示意圖及對應(yīng)的試樣編號見圖4。

圖2 末再管與套管間隙情況

圖3 開裂焊縫內(nèi)外壁形貌宏觀照片

圖4 取樣位置示意圖及對應(yīng)的試樣編號

1.2 化學(xué)成分分析

末再管及套管取樣化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，表中列出了ASME SA213對兩不同牌號鋼種化學(xué)成分要求，兩管取樣化學(xué)成分均符合上述標(biāo)準(zhǔn)對相應(yīng)牌號的成分要求。焊縫金屬采用掃描電鏡能譜半定量分析，選取兩處不同區(qū)域進(jìn)行測試（表2），表2中焊縫金屬主要元素Si、Mn、Mo 等符合ASW A5.11:2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而Fe、Cr、Ni 等元素超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，與兩側(cè)母材金屬對焊縫金屬的稀釋有關(guān)[1]，可基本排除焊材錯用的可能。

表1母材管化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 焊縫成分分析結(jié)果

1.3 力學(xué)性能測試

表3為末再管取樣拉伸性能測試結(jié)果，末再管室溫及高溫（550℃）拉伸性能均滿足ASME SA-213及GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。表4末再管及套管母材取樣硬度測試結(jié)果，兩管洛氏硬度（HRB）均符合ASME SA-213要求。

表3 末再管拉伸性能測試結(jié)果

表4 硬度測試結(jié)果/HRB

1.4 金相檢驗

圖5為母材取樣Z-J1、T-J1試樣金相檢驗結(jié)果。兩管母材均為奧氏體+孿晶，內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯軋折、直道、凹坑、微裂紋等顯微缺陷。圖6為Z-J2斷口截面微觀形貌。斷裂面微觀上為穿晶斷裂，斷口邊緣有少量的二次裂紋，未見有組織異常等特征。圖7（a）為裂紋部位宏觀形貌，圖8為裂紋尖端位置取樣Z-J3金相檢驗照片。接頭試樣存在兩條明顯的裂紋A 和裂紋B，在圖中圓圈標(biāo)識處還發(fā)現(xiàn)一條微裂紋C，上述裂紋微觀上均以穿晶形貌擴(kuò)展，焊縫及熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、夾渣、未熔合等其他焊接缺陷。圖7（b）為裂紋對側(cè)無缺陷部位宏觀形貌，圖9為裂紋對側(cè)取樣Z-J4金相檢驗照片。在圖中焊縫表面各位置均未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，焊縫及熔合區(qū)也均未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、夾渣、未熔合、裂紋等焊接缺陷。

圖5 母管金相檢驗照片

圖6 斷口截面取樣Z-J2金相檢驗照片

圖7 焊縫裂紋側(cè)及對側(cè)無裂紋部位宏觀形貌

1.5 斷口分析

將斷口試樣置于掃描電鏡下觀察（圖10），斷口從管子外壁側(cè)啟裂，向內(nèi)壁側(cè)擴(kuò)展并終斷，宏觀上較為平整，無明顯的塑性變形特征。在斷口靠近外壁位置（位置WC）、中間位置（位置ZB）、靠近內(nèi)壁位置（位置NC）等各個區(qū)域微觀上均表現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂的特征，且上述三區(qū)域均能觀察到明顯的疲勞條帶，表明斷口為典型的疲勞斷裂[2-3]。對斷口表面近外壁能譜分析（圖10），未發(fā)現(xiàn)有腐蝕性元素S、Cl 等存在。

2 分析與討論

圖8 裂紋位置取樣Z-J3金相檢驗照片

圖9 裂紋對側(cè)取樣Z-J4金相檢驗照片

圖10 斷口表面微觀形貌

圖11 斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

末再管及套管的化學(xué)成分、硬度值均符合ASME SA-213的要求。末再管室溫及高溫（500℃）拉伸性能均滿足ASME SA-213及GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。兩管金相組織均為奧氏體+孿晶，內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)明顯的軋折、直道、凹坑、微裂紋等顯微缺陷。可見母材管段材質(zhì)無明顯異常，焊縫金屬能譜分析結(jié)果也基本排除了焊材錯用的問題；管段經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，末再管與套管中心不重合，出現(xiàn)兩管壁間隙寬窄不同的情況，表明兩管焊縫位置出現(xiàn)過較高的應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊縫位置出現(xiàn)變形，但尚不能確定上述情況是否在管段開裂前已經(jīng)存在；斷口微觀特征顯示，斷口從管子外壁側(cè)啟裂，向內(nèi)壁側(cè)擴(kuò)展并終斷，無明顯的塑性變形特征。在斷口的不同區(qū)域微觀上均表現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂的特征，且能觀察到明顯的疲勞條帶，表明斷口為典型的疲勞斷裂。

斷口截面金相檢驗結(jié)果顯示，斷裂面微觀上為穿晶斷裂，斷口邊緣有少量的二次裂紋，未見有組織異常等特征。裂紋尖端位置取樣Z-J3金相檢驗發(fā)現(xiàn)，試樣存在兩條比較明顯的裂紋A 和裂紋B 及一條微裂紋C，上述各裂紋微觀上均以穿晶形貌擴(kuò)展。結(jié)合兩管的結(jié)構(gòu)形式及兩管之間間隙的變化情況可以看出，焊縫位置應(yīng)受到徑向的外力作用；根據(jù)末再管與套管的間隙變化可看出，末再管與套管的受力方向應(yīng)如圖12中F（F’）所示。此時在圖中位置A 為末再管與焊縫熔合區(qū)截面突變的位置，位置C表面過渡不光滑，兩位置容易在上述F（F’）力的作用下引起應(yīng)力集中[4-5]，而焊縫表面位置B 本身處于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱部位。根據(jù)金相檢驗時裂紋的擴(kuò)展方向可以看出，裂紋的擴(kuò)展方向與上述受力分析相吻合。因此，結(jié)合斷口分析認(rèn)為，三處裂紋的形成與F（F’）作用力導(dǎo)致的循環(huán)載荷有關(guān)，在交變載荷作用下最終引起疲勞開裂。

結(jié)論：送檢末再管和套管化學(xué)成分、力學(xué)性能等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)焊材錯用、焊接缺陷等異常；末再管的開裂原因為交變載荷作用下導(dǎo)致的疲勞開裂。

圖12 管段受力分析示意圖及裂紋的宏觀形貌