某660MW機(jī)組12Cr1MoV鋼制水冷壁管失效原因分析

皖能合肥發(fā)電有限公司 戚運(yùn)韜 楊 平

1 概述

某發(fā)電機(jī)組1號鍋爐是一臺由東方鍋爐廠有限公司制造的660 M W鍋爐，具有超超臨界的特性，二次加熱，Π形布局，獨立爐膛，前后墻采用了對流燃燒方法，并使用了煙氣調(diào)節(jié)擋板來控制溫度。其具有平衡的通風(fēng)，可以在室外安裝，并且有固態(tài)排渣裝置，由全鋼結(jié)構(gòu)和全懸掛結(jié)構(gòu)制成。其鍋爐型號為DG1846/32.45-∏16， 經(jīng)168h 試運(yùn)行，隨后正式運(yùn)行1個月時間后，在40m 左右的螺旋部分的水冷壁區(qū)域聽到了明顯的滲漏聲。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)此處爐管出現(xiàn)問題。隨后停爐轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)，經(jīng)檢修吊籠驗收合格后到達(dá)泄漏點查看，確定38m 標(biāo)高右側(cè)螺旋段水冷壁彎頭存在泄漏。該螺旋段水冷壁管子規(guī)格Φ38.1×7.5mm，材質(zhì)12Cr1MoVG， 節(jié)距為50.8mm。該機(jī)組水冷壁由于焊縫接頭的大量使用，使這臺機(jī)組的水冷壁系統(tǒng)的可靠性受到了嚴(yán)重的影響。煤電機(jī)組因水冷壁管子焊接接頭失效所導(dǎo)致的安全事故不勝枚舉[1-2]。本文通過該機(jī)組水冷壁管焊縫失效原因分析提出一定的解決措施，并尋找有效的解決方案。

2 宏觀檢查與分析

2.1 宏觀檢查

水冷壁泄漏位置如圖1所示，可見現(xiàn)場泄漏和吹損情況，泄漏區(qū)域存在多處漏點，均位于2號、3號（圖中標(biāo)號）管上，其余相鄰管子存在明顯的吹損減薄情況，管子未見漲粗，其中2號管布置一條對接焊縫。根據(jù)泄漏形態(tài)，判斷2號管（點4）焊縫處為第一泄漏點。

圖1 水冷壁泄漏位置

開展擴(kuò)大性檢查時，發(fā)現(xiàn)其他區(qū)域水冷壁管焊縫存在多處裂紋。裂紋形態(tài)呈現(xiàn)橫向或者縱向。其特征如下。一是裂紋通常發(fā)生在接頭部位；二是大多數(shù)裂紋會發(fā)展到第一根、第二根、第三根、第四根等管段；三是大多數(shù)裂紋會發(fā)展到接頭部位（ 3 點鐘和9點鐘方向）的熔合線附近，并且會沿著熔合線向周圍擴(kuò)散。

2.2 金相檢驗

依據(jù)DL/T 2054-2019《電力建設(shè)焊接接頭金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對第一泄漏管（2號）原始泄漏點處附近（點4）截取金相試樣（以下簡稱“泄漏樣”）、擴(kuò)大性檢查水冷壁橫向裂紋管截取金相試樣（以下簡稱“裂紋樣”）。采用腐蝕溶液進(jìn)行擦拭，而后置于Carl Zeiss Axio Observer A1m 倒置式金相顯微鏡下觀察其組織。

泄漏樣金相組織如圖2所示，可見裂紋在焊縫上，沿管子橫向從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋附近組織為貝氏體及馬氏體混晶組織，裂紋表現(xiàn)為沿晶開裂，在主裂紋附近存在多處分支裂紋。

圖2 泄漏點金相組織

根據(jù)焊接冶金學(xué)的觀點，再熱裂紋的發(fā)展可以歸因于晶體的腐蝕和溶解[3-5]。Cr、Mo、V 等合金的腐蝕可以導(dǎo)致晶體的腐蝕，從而增加應(yīng)力松弛的程度，而這種腐蝕又可以導(dǎo)致應(yīng)力松弛過程中的應(yīng)力集中到晶體的表面，從而導(dǎo)致晶體的塑性減小，從而引發(fā)再熱裂紋的發(fā)展。CrMoV 耐熱鋼的裂紋發(fā)展歷經(jīng)多個階段，其中最重要的是 HAZ 粗晶區(qū)的晶界處，這些晶界處會出現(xiàn)許多小的裂紋，這些裂紋會不斷擴(kuò)展，最終組合起來，構(gòu)成宏觀的裂紋。從圖中含裂紋試樣中均可以觀察到上述產(chǎn)生過程中的特征，即CrMoV 耐熱鋼的孔洞、微裂紋和宏觀裂紋等缺陷通常發(fā)現(xiàn)于其晶界附近，尤其是三角區(qū)域。這些裂紋通常以鏈條的方式排列，并且彼此連通。隨著裂紋的不斷發(fā)展，其會變得更大，并且遵循裂紋發(fā)育的通常規(guī)則。

2.3 化學(xué)成分分析

使用SPECTRO TEST 全定量光譜儀對管道母材進(jìn)行了合金成分分析，分析結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)元素（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（單位：%）

由表1可知，泄漏樣管各元素含量滿足 GB/T 5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的相關(guān)要求。

2.4 硬度檢驗

采用荷蘭伊諾硬度計進(jìn)行硬度檢驗，檢驗是在金相試樣表面上進(jìn)行，試驗條件：負(fù)荷187.5kgf、鋼球直徑2.5mm、負(fù)荷保持時間15s，每組試樣測試三次硬度值，最后取平均值，檢驗結(jié)果見表2。

表2 管樣硬度

從表2中可以看出，兩個失效樣品的硬度值均高于母材硬度值的100HB 以上，這說明此處焊縫的殘余應(yīng)力較高，導(dǎo)致殘余應(yīng)力較高的可能原因如下。

第一，該管件存在有一定的焊接殘余應(yīng)力，該焊接殘余應(yīng)力是該水冷壁管在焊接熱過程中因焊接受熱變形時因受到約束而產(chǎn)生的殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力；第二，該水冷壁管在焊后的冷卻過程中因內(nèi)部金相組織變化而出現(xiàn)的內(nèi)應(yīng)力；第三，該水冷壁管處于彎曲段附近，因其結(jié)構(gòu)的剛性較大而造成其拘束度較大，從而使其產(chǎn)生的一定量的殘余應(yīng)力；第四，該水冷壁管焊后未進(jìn)行焊后熱處理，使其焊接應(yīng)力無法釋放。上述原因均會造成焊縫的殘余應(yīng)力較大，其一項或者多項共同存在的情況下，就會造成該水冷壁管的焊縫硬度高于母材100HB以上。

3 分析和討論

從檢查試驗結(jié)果來看，泄漏樣發(fā)生失效的原因是再熱裂紋導(dǎo)致。根據(jù)傳統(tǒng)CrMoV 耐熱鋼的再熱斷裂形成理論，當(dāng)焊縫受到的應(yīng)力超出其臨界塑性變形能力εc 時，就會出現(xiàn)再熱斷裂。所以，在制造耐熱鋼時，需要考慮到這些因素，如焊縫的壓縮、晶間的加固以及其他相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過系統(tǒng)的分析和實際測量，發(fā)現(xiàn)接頭出現(xiàn)斷裂的主要原因如下。

一是接頭的接觸面積很大，導(dǎo)致接觸面受到很大的壓力。二是由于缺乏熱處理工藝方法，接觸面受到的熱應(yīng)力很大。三是對于12Cr1MoVG 材質(zhì)而言，其對熱變形的反應(yīng)較快。12Cr1MoVG 中含有Cr、Mo、V 等碳化物形成元素，其材料本身就具有較強(qiáng)的再熱裂紋敏感性，一般12Cr1MoVG 鋼再熱裂紋形成的敏感溫度為 500 ～ 700 ℃。經(jīng)過多次檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行時，由于該水冷壁管的外壁溫度一直保持在620～640℃，并且由于部件的結(jié)構(gòu)、熱處理過程的不同以及設(shè)備的質(zhì)量問題，這些都會對焊縫的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面的影響，從而使得焊縫出現(xiàn)了裂紋。

工程上往往通過再熱裂紋敏感指數(shù)的經(jīng)驗公式計算，即根據(jù)合金元素Cr、Mo、V、Nb、Ti 等元素含量，評定合金材料再熱裂紋敏感性。評定鋼材再熱裂紋敏感性的經(jīng)驗公式：

當(dāng)ΔG > 0時，易裂；當(dāng)ΔG1 > 2時，易裂；ΔG1 < 1.5時，不易裂。將表1中的數(shù)據(jù)帶入公式（1）和公式（2）中，結(jié)果顯示：ΔG = 1.8 > 0，ΔG1= 4 > 2。這表明無論采用式（1）還是式（2），均表明12Cr1MoVG 存在一定的再熱裂紋傾向。

由于焊接后殘余應(yīng)力較大，導(dǎo)致焊接接頭局部位置的延性δmin不足以抵抗應(yīng)變，從而導(dǎo)致裂紋的形成。此外，焊接后如不進(jìn)行熱處理，焊縫中氫元素難排出，焊縫延性差，會促進(jìn)冷裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

一是經(jīng)過理論分析和實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中，材料的再熱裂紋敏感性和溫度變化是必不可少的。其中，焊接應(yīng)力主要來自部件的結(jié)構(gòu)、熱處理溫度的差異和設(shè)備的制造精度，這些因素都會對焊接接頭的裂紋產(chǎn)生重要的影響。經(jīng)過顯微鏡分析，發(fā)現(xiàn)12Cr1MoVG 焊接接頭的粗晶區(qū)出現(xiàn)了裂紋，隨后這些裂紋會擴(kuò)展到細(xì)晶區(qū)，最終導(dǎo)致泄漏樣品的失效。這可能是由于該材料本身具有較強(qiáng)的再熱裂紋傾向，DL/T 869-2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》修訂后對12Cr1MoVG 焊后熱處理的要求有所降低，導(dǎo)致該種鋼材在焊接后存在一定程度的再熱裂紋開裂風(fēng)險。

二是采樣泄漏管焊縫硬度較高，存在淬硬組織，不滿足DL/T 869-2021標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoVG 焊縫組織和硬度的要求，焊接殘余應(yīng)力較大是導(dǎo)致泄漏樣發(fā)生泄漏的原因之一。

三是由于DL/T 869-2021標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性沒有達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，加上沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚约皻堄鄳?yīng)力過高，這就成為發(fā)生裂紋的主要原因。

電廠在擴(kuò)建及檢修過程中，應(yīng)有針對性地對再熱裂紋傾向的鋼材，應(yīng)盡可能采取高于標(biāo)準(zhǔn)要求的焊后熱處理措施，避免焊接接頭開裂。