某電廠暖管管線泄漏原因分析

王艷芳* 張雪濤 楊偉東

（中國石油獨山子石化分公司研究院）

0 引言

熱電廠高溫管線長期在高溫環境下運行，其產生泄漏的原因很多，除腐蝕、材質劣化外，焊接部位缺陷造成管道泄漏的情況也居多。12Cr1MoVG 材料多用于熱電廠高溫管線，其耐熱抗氧化性能和可焊接性能較好，但其屬于再熱裂紋敏感性材料，焊接工藝、焊后熱處理參數不當或焊接殘余應力過高，會導致裂紋萌生、擴展，直至斷裂失效。

2020 年2 月，電廠人員發現3#機主汽暖管管線接管座焊縫泄漏，暖管管線規格為 42 mm×5 mm，材質為12Cr1MoVG，工作壓力為8.83 MPa，工作溫度為540 ℃左右，介質為水蒸氣。泄漏的暖管管線自2009 年使用至今，該管線僅在3#機主蒸汽管線汽輪機啟用時使用，一般用于停工檢修，且管線正常運行期間無蒸汽流動。為了查明泄漏原因，避免類似事故再次發生，對產生泄漏的暖管管線進行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢查

在3#機主汽暖管管線與接管座管線對接焊縫處（如圖1 所示），可見一條沿焊縫周向開裂的裂紋，裂紋靠近主汽暖管管線側，裂紋邊緣尖銳、無分枝開叉，管外壁裂紋長度約占管周長的1/2。將送檢暖管縱向剖開后（如圖2 所示），發現裂紋緊鄰焊縫位置，裂紋部位內壁處焊瘤高出母材表面約3 mm。接管座管線在近焊縫部位產生了明顯變徑，變徑處最小壁厚為3.5 mm，其他部位壁厚為5.0 mm。

圖1 3#機主汽暖管管線泄漏位置

圖2 內壁處泄漏部位裂紋及焊瘤

1.2 成分分析

對3#機主汽暖管管線制備光譜分析試樣，使用德國SPECTRO Lab. M11 型固定式光譜儀對其進行了成分分析，測試結果如表1 所示。

表1 暖管管線成分分析結果（質量分數）

根據成分分析結果及成品化學分析允許偏差, 3#機主汽暖管管線化學元素分析結果滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中12Cr1MoVG 化學元素含量要求。

1.3 力學性能測試

在3#機主汽暖管管線母材、焊縫及熱影響區部位取樣，使用430SVD 型數顯維氏硬度計選取三點進行了維氏硬度試驗，試驗結果可見表2。

表2 暖管管線縱截面硬度對比(HV10/10)

該主汽暖管管線于2009 年投用，因此依據GB 5310—2008 標準要求進行評定，該標準中12Cr1MoVG 材料無硬度要求，因此硬度檢驗結論僅供參考； GB/T 5310—2017 標準中12Cr1MoVG 硬度要求為135 ～195(HV10/10)，因此母材樣品硬度值滿足要求。

依據標準DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》，同種鋼焊接接頭硬度不超過母材布氏硬度值加100 HB（維氏硬度為100 HV），本次檢驗焊縫硬度偏高。

1.4 金相檢驗

對3#爐暖管管線的母材部位、焊縫及熱影響區部位取樣,并觀察其中的金相組織。接管座母材部位金相組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織分布，碳化物已經開始分散，按照標準DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV 鋼球評級標準》珠光體球化度評級為2.0級，如圖3 a）所示；焊縫部位金相組織為貝氏體+少量鐵素體，碳化物分布不均勻，晶粒較粗大，如圖3 b）所示；熱影響區(近接管座)部位金相組織為貝氏體+少量鐵素體，碳化物分布不均勻，內壁處發現一條裂紋，裂紋附近有多條沿晶分布顯微裂紋，如圖3 c）所示，外壁處存在一條較粗的裂紋，裂紋產生于焊縫根部熔合線附近粗晶區,沿晶界擴展，終止于熱影響區細晶區，裂紋附近高倍數下能觀察到微裂紋，如圖3 d）所示、圖3 e）所示；疏水管母材部位金相組織為鐵素體+碳化物顆粒，碳化物聚集長大，大部分聚集在晶界處及其附近，按照標準DL/T 773—2016 珠光體球化度評級為4.0 級,其內壁存在脫碳現象，如圖3 f）所示。

圖 3 管道不同部位樣品金相組織

2 分析和討論

該暖管裂紋產生于焊縫熔合區，沿熱影響區粗晶區擴展，終止于熱影響區細晶區，晶間呈現開裂特征[1]，拋光態下可以觀察到顯微裂紋不連續、呈斷續狀，具有典型的再熱裂紋特征。同時，12Cr1MoV 本身屬于 Cr-Mo-V 低合金耐熱鋼，含有一定的沉淀強化元素，具有再熱裂紋敏感性，近焊縫區金屬在高溫熱循環作用下,強化相碳化物沉積在晶內的位錯區上,使晶內強化強度大大高于晶界,由于應力松弛而帶來的塑性變形主要由晶界來承擔[2],于是,晶界應力集中,就會產生裂紋。

管道內壁裂紋處存在焊瘤，并緊鄰裂紋部位，其高度自裂紋中心向周圍遞減，最大高度約為3 mm。焊瘤的存在使焊接殘余應力增大且集中，且焊瘤減小了管道內徑尺寸，造成管內蒸汽在該處流動不暢，使該處短時溫度急劇升高的持續時間增長，加劇了裂紋的萌生及擴展。

該暖管焊縫直管段受力情況分析如下。

（1）暖管管線一端接主蒸汽管線，一端連接90°彎頭，彎頭連接直管垂直于地面（如圖1 所示），中間直段無其他固定支架，僅依靠該段管道彎頭和主蒸汽管自然固定支撐。主蒸汽管道的工作溫度為540 ℃，工作壓力為8.83 MPa，在長期運行過程中，由于主蒸汽溫度高，沿水平管道軸向產生較大的膨脹量，焊接接頭處需承受來自水平直段管道的軸向推力。焊口附近存在剪切應力集中現象；同時在機組多次啟停過程中，管線由于溫度、工作壓力突然升高使整個管線熱膨脹，造成管道內外側分別承受壓應力拉應力，且停機過程中冷縮等變形同樣產生應力，也是造成焊接接頭裂紋的原因[3]。

（2）管道保溫及啟停過程中沿管壁厚度方向溫度梯度遞減，使焊接接頭處應力不均，這對裂紋產生有影響。

（3）不同厚度焊接接頭間的應力影響為：焊接部位輸水管厚度約為5 mm，接管座焊接部位厚度約為3.5 mm，屬于不等厚接頭焊接，焊接接頭在焊后收縮時產生角變形,這種角變形是由于焊縫金屬接頭幾何尺寸不對稱而引起偏心力矩導致的,因此,不等厚接頭在焊接接頭坡口處承受附加彎矩的作用。焊接接頭部位同時承受著拉伸應力的作用。這兩種力的作用加劇了裂紋擴展[3]。

3 建議

（1）檢修期間應嚴格控制焊接質量，重點對其他焊接部位的焊接質量進行全面管控，并對焊口進行無損檢測。

（2）從再熱裂紋特征分析得出，再熱裂紋產生在熱影響區粗晶區，并伴有不同程度的應力集中，可見，產生再熱裂紋的必要條件是熱影響區粗晶區和應力集中同時存在，因此焊接時應該嚴格按照工藝要求施焊，確保焊接質量，從而減小應力集中程度。

4 結論

由于管道結構、啟停運行時產生的溫差、焊接后產生較大焊瘤及焊接接頭部位存在不等厚度焊接等原因，暖管焊區存在較大殘余應力，并且焊接接頭薄弱缺陷區應力較為集中情況，焊接接頭薄弱部位存在晶間再熱微裂紋，從而使裂紋萌、生擴展直至貫穿至管道內壁。