某電站鍋爐水冷壁T23管泄漏原因分析及處理

皖能合肥發(fā)電有限公司 王朝林 胡玉璋

1 概述

近年來，某省各煤電機(jī)組均面臨著深度調(diào)峰，從而導(dǎo)致鍋爐“四管”的泄漏次數(shù)逐步增加，且其失效的原因也多種多樣[1]。

T23（2.25Cr-1.6W-V-Nb）鋼是改良T22鋼后的一種新型低合金熱強(qiáng)鋼，在600℃的蠕變強(qiáng)度接近于T91鋼，可用于超（超）臨界機(jī)組水冷壁。但是，有文獻(xiàn)報道T23材質(zhì)水冷壁接頭焊縫在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致泄漏事故，使機(jī)組頻繁停運(yùn)的情況[2]。T23作為一種新型的材質(zhì)，其焊接接頭失效原因值得深入分析。

本文報告一水冷壁T23管焊接接頭在機(jī)組投運(yùn)半年內(nèi)頻繁發(fā)生泄漏的失效案例。該機(jī)組為二次再熱超（超）臨界機(jī)組工程，鍋爐為變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、水冷濕式除渣系統(tǒng)。鍋爐的主蒸汽壓力、一次、二次再熱蒸汽壓力分別為：30MPa、9.17MPa、2.25MPa；主蒸汽溫度、一次、二次再熱蒸汽溫度分別為：600℃、610℃、620℃。其中在標(biāo)高52m 至72m 螺旋段水冷壁管材質(zhì)為T23，規(guī)格為42.2×7.8mm，出口溫度為480℃。該機(jī)組參與深度調(diào)峰。

2 宏觀檢查和無損檢測

該鍋爐停爐檢修時，對72m 至52m 的水冷壁四個角部管子焊縫進(jìn)行射線檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)編號S1和S5的兩根T23管子焊縫存在裂紋。管樣的宏觀照片、射線底片和內(nèi)壁滲透照片如圖1所示。

圖1 管子的宏觀照片、射線底片和內(nèi)壁滲透照片

從射線底片可以看出，編號S1和S5的焊縫均可見明顯的裂紋缺陷（見圖中紅色箭頭），裂紋橫向分布在管子的6點(diǎn)或12點(diǎn)位置，且橫跨焊縫，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.2-2015的規(guī)定，焊縫不允許有裂紋。截開后發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)壁均有焊瘤。

3 金相檢驗(yàn)

分別對編號S1和S5水冷壁管裂紋部位割取橫截面試樣并在裂紋旁邊位置割取焊縫縱截面試樣，所有樣品經(jīng)粗磨、細(xì)磨和拋光后，采用3%的三氯化鐵鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕，在Carl Zeiss Axio Obsever 倒置式研究級金相顯微鏡上觀察試樣金相組織。

圖2為編號S1裂紋、焊縫和熱影響區(qū)的金相組織圖片，從圖2中可以看出，裂紋是由內(nèi)壁向外壁開裂，向兩邊延伸，裂紋尖端呈沿晶開裂。裂紋兩端的金相組織中含有大量的板條馬氏體組織。從焊縫的組織照片中可以看出，整個焊縫中含有大量的板條馬氏體組織，T23焊縫組織應(yīng)為貝氏體組織，S1焊縫為粗大板條馬氏體組織+部分貝氏體組織的混晶組織。

圖2 編號S1裂紋、焊縫和熱影響區(qū)的金相組織圖

圖3為編號S5裂紋、焊縫和熱影響區(qū)的金相組織圖片，從圖3中可以看出，裂紋由內(nèi)壁向外壁開裂，向兩邊延伸，裂紋萌生部位為焊縫氬弧焊打底附近的熔合線部位，且氬弧焊打底部位有許多小裂紋萌生，裂紋尖端呈沿晶開裂。裂紋附近氬弧焊打底部位的金相組織圖中有原奧氏體晶界和大量的板條馬氏體組織。從焊縫金相組織照片中可以看出，焊縫的氬弧焊部位含有原奧氏體和大量的板條馬氏體，整個焊縫為板條馬氏體組織+貝氏體組織的混晶組織。

圖3 編號S5裂紋、焊縫和熱影響區(qū)的金相組織圖

4 硬度檢測

依據(jù)硬度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[3]，用布氏硬度計(jì)對焊縫、熱影響區(qū)和母材進(jìn)行硬度試驗(yàn)（為保證檢測面平整度和光潔度，確保檢測的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在金相試樣表面進(jìn)行），每組試樣測試三次硬度值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 管樣的焊縫、熱影響區(qū)和母材的布氏硬度值

從表1可以看出，編號S1和S5的母材硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，同時兩者焊縫的硬度值均高于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其中編號S1的熱影響區(qū)的硬度值高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5 分析

從上述的試驗(yàn)結(jié)果可知，該水冷壁運(yùn)行一年左右時間即出現(xiàn)焊縫早期失效情況。第一，編號S1和S5焊縫中均存在裂紋，且裂紋橫穿焊縫；第二，編號S1焊縫的金相組織為粗大板條馬氏體組織+部分貝氏體組織的混晶組織，裂紋是由內(nèi)壁向外壁開裂，呈沿晶開裂；編號S5為板條馬氏體組織+貝氏體組織的混晶組織，裂紋由內(nèi)壁向外壁開裂，裂紋萌生部位為焊縫氬弧焊打底附近的熔合線部位，裂紋呈沿晶開裂；第三，編號S1和S5焊縫的硬度值均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

馬氏體組織中間隙原子（C 原子）的存在使Fe原子偏離平衡位置，導(dǎo)致晶體中的晶格發(fā)生較大畸變，致使組織處于硬化狀態(tài)。焊接時接近縫區(qū)的奧氏體晶粒易嚴(yán)重長大，而粗大的奧氏體將變成粗大的馬氏體，馬氏體是一種脆硬的組織，裂紋易于形成和擴(kuò)展。DL/T 869-2021規(guī)定焊縫金相組織合格的標(biāo)準(zhǔn)為沒有淬硬的馬氏體組織。同時，T23鋼材再熱裂紋敏感性強(qiáng)，正常焊縫金相組織為貝氏體組織。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，馬氏體與貝氏體混合組織對裂紋敏感程度非常大，本次編號S1和S5焊縫中都存在大量馬氏體和貝氏體混合組織，因此其裂紋的敏感度高，再熱裂紋傾向也非常大[4]。其中，編號S1試樣金相組織中，裂紋兩側(cè)的組織均是粗大的針狀馬氏體組織；編號S5試樣金相組織中，氬弧焊打底部位存在原奧氏體晶界，裂紋就從打底層附近的熔合線萌生擴(kuò)展。這充分說明馬氏體、貝氏體混合組織再熱裂紋敏感程度大。從硬度值方面看，編號S1和S5焊縫的硬度值均高于標(biāo)準(zhǔn)值，這表明該鍋爐水冷壁（T23材質(zhì)）管焊縫的焊接工藝存在一定問題。

焊縫具有高位錯密度的馬氏體板條結(jié)構(gòu)，板條內(nèi)析出少量的細(xì)小碳化物，未回火的馬氏體在水冷壁工作溫度（400～500℃）下具有蠕變脆性，在應(yīng)力作用下，焊縫容易在三晶粒的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，結(jié)合T23焊縫在運(yùn)行過程中發(fā)生晶界弱化和晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化，晶界的結(jié)合力降低，如果應(yīng)力超過了晶界的結(jié)合力，會在此處產(chǎn)生上述裂紋，而管壁橫向應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力的2倍，因此裂紋沿橫向擴(kuò)展。

6 結(jié)語

第一，水冷壁短期失效發(fā)生在T23焊縫，裂紋橫向分布在管子的6點(diǎn)鐘或12點(diǎn)鐘位置，從內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，從粗晶區(qū)或焊縫萌生，向兩邊延伸。第二，裂紋具有沿晶擴(kuò)展特性，其性質(zhì)為再熱裂紋中的楔形開裂。第三，焊縫有較多高硬度的馬氏體組織，這種未回火的馬氏體和貝氏體混合組織在水冷壁工作溫度下具有蠕變脆性，是產(chǎn)生裂紋的內(nèi)因。第四，水冷壁鰭片焊縫的橫向收縮應(yīng)力、剛性梁結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力等水平方向的附加應(yīng)力是導(dǎo)致焊縫開裂的外因，調(diào)試時負(fù)荷波動產(chǎn)生的載荷促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展。第五，材質(zhì)為T23的水冷壁管焊縫的標(biāo)準(zhǔn)焊接試樣中含有大量的淬硬馬氏體組織，按標(biāo)準(zhǔn)DL/T 869-2012屬于不合格的焊縫。因此其焊接工藝存在一定問題。第六，建議注重焊后熱處理工藝[5]，通過降低焊縫硬度、選擇低合金含量的焊材、細(xì)化晶粒和檢修水平方向的結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方法措施來抑制裂紋的產(chǎn)生。