高溫過熱器出口集箱管座焊接接頭開裂原因

朱海寶，陳卓婷，白 佳，郭延軍，劉 明，田力男，喬立捷

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

在我國長期服役的超臨界機組中，鍋爐受熱面“四管”泄漏事故時有發生，此類事故造成的機組非計劃停機次數占到非計劃停機事件總數的30%左右。鍋爐受熱面中的高溫過熱器出口集箱(以下簡稱高過出口集箱)管座焊接接頭因服役條件惡劣，極易發生不明原因失效，嚴重影響著機組的安全穩定運行，且頻繁的搶修給發電企業造成嚴重的經濟損失和人力消耗[1]。

2020年5月，在某電廠600 MW超臨界燃煤鍋爐A檢修期間，對高過出口集箱管座焊接接頭進行磁粉檢測，發現其中40根管座焊接接頭表面存在裂紋缺陷。鍋爐型號為DG1913/25.4-II3，于2007年投產發電，截至檢修時，已累計運行約9.2×104h。集箱管座焊接接頭材料均為SA-335P/T91鋼，管屏最外圈規格為φ51 mm×9.5 mm，其他規格為φ45 mm×8.5 mm，共33屏，每屏共20根；焊接方法主要為鎢極氬弧焊和手工電弧焊，焊接后經760 ℃高溫回火處理。管接頭內部介質為水蒸氣，溫度為571 ℃，壓力為25.1 MPa。為了找到管座焊接接頭開裂的原因，防止類似問題再次發生，作者對高過出口集箱管座焊接接頭進行失效分析[2]，并提出了相應的改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 裂紋宏觀形貌

采用MP-A2L型交流磁軛磁粉檢測儀對高過出口集箱管座焊接接頭進行檢測，發現40根管座焊接接頭的裂紋主要分布在高過出口集箱爐后側管座焊接接頭上半圈距離熔合線1～2 mm位置處，該區域為熱影響區粗晶區[3-4]，裂紋由外壁向內壁擴展。其中1根管座焊接接頭的磁粉探傷結果如圖1所示，可見現場管座焊接接頭上的裂紋距熔合線約1.6 mm，裂紋長約2/5圈，其余部位未見明顯脹粗、變形、鼓包等特征。

圖1 管座焊接接頭裂紋宏觀形貌Fig.1 Crack macromorphology of welded joint of pipe socket

1.2 應力分布

對現場部分管座焊接接頭切割后，采用鋼板尺對管子的偏移量進行測量，表中管座編號11-15表示爐左數第11排爐前數第15根，且11-15管座為無裂紋管座，其余為含裂紋管座。由表1可以看出：開裂管座焊接接頭切割后的偏移量在33～57 mm之間，說明開裂管座焊接接頭應力較大；無裂紋管座焊接接頭切割后的偏移量為2 mm，偏移量較小，說明該管座焊接接頭整體附加應力較小。

表1 切割管座焊接接頭后管子的偏移量

利用有限元分析軟件建立高過出口集箱及管屏三維模型，管座區域網格加密，單元尺寸為2 mm×2 mm，假定計算狀態為運行熱態，根據現場切割時管子的偏移量設置端部位移邊界條件，考慮運行狀態下的蒸汽參數(溫度571 ℃，壓力25.1 MPa)，將集箱中性面固支，對管座區域的應力分布進行模擬，結果如圖2所示。由圖2可以看出，在運行狀態下，管座焊接接頭處存在一定的應力集中區，且管座焊接接頭上半圈熱影響區粗晶區的拉應力最大，最大值為240 MPa，該位置與實際開裂位置一致。

圖2 模擬得到運行狀態下失效管座區域的應力云圖 Fig.2 Contour of stress of failed pipe socket area under operation condition by simulation

1.3 裂紋微觀形貌和顯微組織

在編號11-15、11-18管座焊接接頭裂紋附近截取金相試樣，經磨拋后，用由5 g三氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水組成的溶液腐蝕，采用DMI5000M型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出：裂紋最寬處的寬度約為0.4 mm，裂紋從管外壁向內壁擴展，長度約為6.5 mm，裂紋兩側組織出現脫碳現象，說明裂紋長期受到高溫氧化作用，主裂紋尖端組織中出現了微裂紋?？芍?，該管座焊接接頭發生高溫蠕變開裂。與未服役的新管組織相比，熱影響區粗晶區中馬氏體板條位向嚴重分散或消失，僅有少量仍保留馬氏體板條形態，板條界、晶界處碳化物增多，且主要呈球狀、串鏈狀，按照DL/T 884-2019標準判斷組織的老化級別為4.5級。焊縫區域的馬氏體板條位向明顯分散，板條內分布的碳化物減少，晶界碳化物增多，尺寸粗化，呈顆粒狀，組織的老化級別為3級；母材未經焊接熱循環作用，馬氏體板條位向分散，板條內分布的碳化物減少，板條界、晶界碳化物粗化，有的呈串鏈狀，組織的老化級別為3.5級；內壁蒸汽側氧化層可分為外層、中間層和內層3個區域，這是由氧分壓隨氧化層深度降低所致[5]，氧化層總厚度在450～496 μm，內部可見明顯脫碳層。編號11-15未開裂管座焊接接頭焊縫、熱影響區粗晶區、母材區組織老化級別與編號11-18開裂管座接頭的相應區域基本相同，無明顯差異。

圖3 編號11-18開裂管座焊接接頭裂紋微觀形貌及附近的顯微組織Fig.3 Crack micromorphology (a) and microstructures near crack (b-e) of No.11-18 fractured pipe socket welded joint:(b) heat affected zone coarse grain area; (c) weld area; (d) base metal and (e) inner wall oxide layer

1.4 顯微硬度

采用402MVD型維氏硬度計對編號11-15、11-18管座焊接接頭處的顯微硬度進行測試，載荷為0.98 N，保載時間為15 s，測試位置為焊縫區域、裂紋區域和未經焊接熱循環的母材區域。由表2可以看出：2根管座焊縫平均硬度分別為202，207 HV，母材平均硬度分別為196，191 HV，裂紋區域即熱影響區粗晶區的平均硬度分別為164，167 HV。按照GB/T 1172-1999和DL/T 438-2016，焊縫和母材區域的硬度符合標準要求，而熱影響區粗晶區的硬度明顯低于標準要求。顯微硬度結果與組織老化評級相對應，即隨著組織老化級別的增加，顯微硬度降低。

2 失效原因分析

由上述檢驗結果可知：高溫過熱器出口集箱40根管座焊接接頭上半圈位置大多存在表面裂紋，裂紋位于距熔合線1～2 mm的熱影響區粗晶區，部分裂紋長度已達6.5 mm，主裂紋尖端組織中可見明顯蠕變微裂紋特征；管座焊接接頭熱影響區粗晶區經歷了1 100～1 300 ℃焊接熱循環作用，以及隨后約760 ℃的高溫回火作用，組織粗大，在長期高溫條件下服役后，組織加速老化，馬氏體板條位向嚴重分散或消失，碳化物發生Ostwald熟化，呈球狀、串鏈狀分布在晶界、板條界處[6-8]，老化等級為4.5級。焊縫區和母材組織的老化級別分別為3級和3.5級。經過長期高溫服役后，管座焊接接頭焊接熱影響區粗晶區組織的老化級別明顯高于焊縫和母材。管座焊接接頭熱影響區粗晶區的硬度為164～167 HV，低于標準要求，這與熱影響區粗晶區的組織老化有關。

表2 不同管座焊接接頭不同區域的顯微硬度

開裂管座焊接接頭切割后管子的偏移量在33～57 mm之間，可知開裂管座服役時存在較大附加應力。管座表面的附加應力為二次應力，主要來自安裝基建階段管屏和集箱管接頭現場強力對口所產生的應力，還來自管屏現場不合理的吊裝卸載工序使焊接接頭表面產生的集中應力。為滿足整體變形協調條件，在結構不連續或相鄰件連接部位及其鄰近區域產生的附加應力的最大當量應力應小于3倍材料許用應力[9]。A335/T91鋼在571 ℃工作溫度下的許用應力為91 MPa，管座焊接接頭的最大拉應力為240 MPa，小于3倍許用應力273 MPa，但剩余的安全余量有限。

綜上所述，在基建安裝階段高過出口集箱管座焊接接頭存在應力集中現象，其中管座焊接接頭上半圈應力集中最明顯，剩余安全余量有限。在長期高溫服役啟停調峰過程中，管座焊接接頭熱影響區粗晶區組織老化程度明顯大于母材和焊縫區域，高溫力學性能明顯下降。在附加二次應力的作用下，微裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區粗晶區應力集中處萌生；隨著服役時間的延長，裂紋內基體組織脫碳，焊接接頭中形成高溫蠕變裂紋。

3 結 論

(1) 在長期高溫服役過程中，高溫過熱器出口集箱管座焊接接頭熱影響區粗晶區組織老化嚴重，老化等級達到4.5級，高溫力學性能明顯下降，同時現場安裝強力對口等施工不當造成管屏附加二次應力集中；在附加二次應力的作用下，微裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區粗晶區應力集中處萌生。隨著服役時間的延長，裂紋內基體組織脫碳，焊接接頭發生高溫蠕變開裂。

(2) 建議在設計制造階段采用加強型管座接頭，并嚴格控制焊接熱輸入，降低熱循環作用范圍；現場安裝階段應避免強力對口等施工不當造成管座接頭處產生附加二次應力；在服役檢修期，應加強對管座焊接接頭的質量檢查，必要時采用割管進行應力分析和實驗室理化性能檢驗，應重視焊接接頭熱影響區粗晶區的組織性能評估。