汽輪機(jī)高壓缸接管焊縫失效分析

張海軍

（國(guó)家電投寧夏能源鋁業(yè)臨河發(fā)電分公司，寧夏 銀川 750409）

熱動(dòng)技術(shù)

汽輪機(jī)高壓缸接管焊縫失效分析

張海軍

（國(guó)家電投寧夏能源鋁業(yè)臨河發(fā)電分公司，寧夏 銀川 750409）

針對(duì)某電廠一起高壓缸接管焊縫發(fā)生的泄漏事故，采用宏觀檢查、金相分析、X射線能譜分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、掃描電鏡觀察等分析手段，查明了焊縫失效原因并提出解決和預(yù)防措施。分析結(jié)果表明：由于熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致焊接處應(yīng)力松弛，該處應(yīng)力集中的粗晶區(qū)域的晶界塑性變形量超過(guò)該部位塑性變形的能力，從而產(chǎn)生再熱裂紋。復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變因素影響，加速了焊縫裂紋的擴(kuò)展和開(kāi)裂，最終導(dǎo)致焊縫泄漏。

高壓缸接管；泄漏；熱處理；再熱裂紋

2016年2月28日某電廠汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中高壓缸中部出現(xiàn)輕微冒汽現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸接管焊縫存在明顯裂紋，且從裂紋處漏汽，漏氣量雖不大，但由于工作壓力較高，并且裂紋有擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此十分危險(xiǎn)。停機(jī)后進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)裂紋位于焊縫邊緣的熔合區(qū)上，并且已貫穿整個(gè)管壁。焊縫開(kāi)裂處接管材質(zhì)為SA-335P12，規(guī)格為Φ406.4 mm×30.96 mm，采用的焊條為R307，焊絲牌號(hào)為H13CrMoA，焊后焊件經(jīng)過(guò)整體熱處理。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

經(jīng)過(guò)對(duì)一個(gè)母材帶焊縫試樣（環(huán)狀，長(zhǎng)約200 mm）的宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，幾乎整個(gè)樣品均存在裂紋，外壁裂紋長(zhǎng)度長(zhǎng)于內(nèi)壁裂紋，外壁裂紋位于焊縫熔合區(qū)，如圖1所示。內(nèi)壁裂紋位于母材處，大部分區(qū)域已經(jīng)裂透，如圖2所示。裂紋斷口經(jīng)切割打開(kāi)后的宏觀形貌如圖3所示，整個(gè)斷面顏色發(fā)黑覆蓋有一層氧化物，斷面整體較為平整，局部存在臺(tái)階及河流狀花樣，無(wú)明顯塑性變形痕跡，呈脆性開(kāi)裂特征。

圖1 焊縫外側(cè)熔合區(qū)裂紋

圖2 母材內(nèi)壁裂紋

圖3 斷口宏觀形貌

1.2 金相及化學(xué)元素分析

為了全面分析試樣金相組織，取3個(gè)樣品：包含母材基體和焊縫的樣品；帶裂紋的樣品；斷口樣品。金相樣品經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、腐蝕后[1]，在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下進(jìn)行組織形貌觀察。

（1）母材組織為鐵素體+珠光體，組織正常；

（2）焊縫部位組織不均勻（如圖4所示），部分位置存在一些不正常的網(wǎng)狀鐵素體組織，組織異常；

（3）靠近主裂紋一側(cè)外壁有2條裂紋（如圖5、圖6所示），裂紋起始于外壁，裂紋末端較尖銳，裂紋內(nèi)部有氧化層覆蓋；

（4）斷口樣品組織不均勻（如圖7所示），部分位置存在一些不正常的網(wǎng)狀鐵素體組織，斷口表面均存在氧化層；

（5）焊縫開(kāi)裂起于管道外壁，并沿晶界由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。

圖4 焊縫顯微組織形貌

圖5 帶裂紋樣品第一條裂紋顯微組織形貌

圖6 帶裂紋樣品第二條裂紋顯微組織形貌

圖7 斷口顯微組織形貌

利用EDAX能譜儀對(duì)樣品母材和焊縫進(jìn)行X射線能譜分析，化學(xué)元素分析結(jié)果符合相關(guān)要求［2］。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1 硬度試驗(yàn)

在試樣焊縫和母材的2個(gè)位置分別用HT-1000 A便攜式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，每個(gè)位置打3點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，該種鋼母材硬度為130-197 HB，焊縫硬度下限不低于母材，上限不大于241 HB。由表1可見(jiàn)，焊縫與母材硬度符合要求。

表1 硬度試驗(yàn)結(jié)果

1.3.2 拉伸性能試驗(yàn)

在樣品上取縱向拉伸樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)：管樣的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合要求［4］，說(shuō)明管樣力學(xué)性能正常，未劣化。

表2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

1.4 斷口分析

取部分?jǐn)嗫跇悠?，將斷口浸入丙酮在超聲波儀器中清洗后對(duì)原始斷口在Quanta 400 HV掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行觀察，斷口形貌見(jiàn)圖8。

圖8 斷口宏觀形貌

由圖8可見(jiàn)，斷口表面覆蓋有較厚的在高溫下形成的氧化層，斷口形成已有一段時(shí)間。對(duì)斷口進(jìn)行酸洗，然后再次觀察，形貌如圖9所示。

圖9 斷口宏觀形貌（酸洗后）

由圖9可見(jiàn)，斷口經(jīng)酸洗后，有關(guān)斷裂機(jī)制的細(xì)節(jié)已消失，但仍保留斷裂機(jī)制的輪廓形貌，斷口的微觀形貌呈現(xiàn)脆性斷裂特征。

2 綜合分析

（1）管道的化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能均正常，表明母材和焊縫的材質(zhì)狀況正常。裂紋內(nèi)部和斷口表面覆蓋有氧化物，說(shuō)明焊縫裂紋的形成已有一段時(shí)間。開(kāi)裂焊縫部位組織不均勻，存在不正常的網(wǎng)狀鐵素體組織，焊縫開(kāi)裂起于管道外壁的熔合區(qū)，并沿晶界由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，呈脆性斷裂。

（2）經(jīng)綜合分析認(rèn)為，管道的裂紋屬于再熱裂紋。由于焊后熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致焊接接頭在殘余應(yīng)力松弛時(shí)，存在應(yīng)力集中的粗晶區(qū)域的晶界塑性變形量超過(guò)該部位塑性變形的能力，從而產(chǎn)生再熱裂紋［5］。初始裂紋萌生于外壁，并已經(jīng)形成了較長(zhǎng)的時(shí)間，在復(fù)雜應(yīng)力-應(yīng)變等因素的綜合作用下逐步氧化、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致開(kāi)裂。

3 處理及預(yù)防措施

（1）對(duì)所有與本次開(kāi)裂焊縫采用相同的熱處理工藝的焊縫進(jìn)行全面檢驗(yàn)、評(píng)估，尤其是進(jìn)行硬度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)以及超聲波檢驗(yàn)等，若發(fā)現(xiàn)缺陷須及時(shí)處理。

（2）對(duì)于該接管焊縫可采取以下處理措施：焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150～200℃。熱處理溫度為670～700℃，恒溫1.5 h［6］。升溫、降溫速度控制在130℃/h以內(nèi)，降溫至300℃以下時(shí)可不控制，保溫緩冷。除此之外，焊接過(guò)程中可采取預(yù)防再熱裂紋的措施，如層間溫度控制在300℃左右；采用小熱輸入焊接工藝，減小焊接過(guò)熱區(qū)寬度［7］，同時(shí)也可避免焊接接頭嚴(yán)重過(guò)熱，從而避免奧氏體晶粒粗化［8］。采用的焊接材料應(yīng)嚴(yán)格限制合金成分，尤其是限制V、Ti、Nb等合金元素的含量［9］。焊接過(guò)程中應(yīng)避免產(chǎn)生咬邊、未焊透、未熔合、余高過(guò)高、過(guò)渡不平滑等缺陷，減少焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)力集中，從而降低因力學(xué)因素產(chǎn)生裂紋或加速裂紋擴(kuò)展的可能性。

4 應(yīng)用效果

2014年3月，對(duì)該開(kāi)裂焊縫整口返修。處理過(guò)程中采取焊前預(yù)熱、小線能量輸入、嚴(yán)控焊接層間溫度和焊縫成型，熱處理溫度控制在680℃、恒溫1.5 h，升溫、降溫速度控制在120℃/h等工藝。在2016年的停機(jī)檢修中，對(duì)該返修后的焊縫再次進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，母材硬度平均值為159 HB，焊縫硬度平均值為216 HB；金相組織呈鐵素體+珠光體，組織正常，未見(jiàn)晶粒粗化和微裂紋；磁粉、超聲波檢驗(yàn)未見(jiàn)裂紋及其他缺陷，質(zhì)量為Ⅰ級(jí)。

5 結(jié)論

（1）該電廠高壓缸接管焊縫失效的主要原因是焊后熱處理工藝不當(dāng)造成應(yīng)力集中的粗晶區(qū)晶界塑性變形量超過(guò)該部位塑性變形的能力，從而產(chǎn)生再熱裂紋。由于高壓缸接管在高溫高壓環(huán)境下長(zhǎng)期服役，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等復(fù)雜應(yīng)力-應(yīng)變等因素加速了焊縫裂紋的擴(kuò)展和開(kāi)裂，最終導(dǎo)致焊縫泄漏。

（2）針對(duì)該焊縫開(kāi)裂，從焊接材料、層間溫度、熱輸入、焊縫成型、預(yù)熱溫度、熱處理溫度、恒溫時(shí)間等工藝因素入手，制定了合理的處理及預(yù)防措施，消除了缺陷和隱患，同時(shí)大大降低了焊縫在服役過(guò)程中產(chǎn)生再熱裂紋的可能性。

（3）本文分析了大管徑、大壁厚SA-335P12鋼因熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生再熱裂紋的機(jī)理，并提出了處理及預(yù)防措施，通過(guò)對(duì)失效焊縫的返修及后續(xù)的監(jiān)督檢驗(yàn)，說(shuō)明了該處理及預(yù)防措施對(duì)高溫高壓環(huán)境下服役的大管徑、大壁厚SA-335P12材質(zhì)管道的焊接、熱處理是有效的。

［1］ DL/T 884—2004，火力發(fā)電廠金相組織檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［2］ ASME SA—335/SA335M,高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼公稱管［S］.

［3］ DL/T 438—2009，火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督規(guī)程［S］.

［4］ GB/T 228—2010，金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法［S］.

［5］ 張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2001,464-273.

［6］ DL/T 819—2010，火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程［S］.

［7］ 邊美華.15CrMoR鋼厚壁壓力容器焊接工藝研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2006,16-18.

［8］ 伍光鳳.P12鋼厚壁高壓管焊接接頭的組織和性能［J］.焊接技術(shù)，2010,39（12），15-17.

［9］李亞江.焊接冶金學(xué)：材料焊接性［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2011,94-102.

Analysis on welded seam failure of turbine high-pressure cylinder connecting pipe

ZHANG Haijun
(Linhe Power Plant of State Power Investment Group Ningxia Energy Resource Aluminum Industry Co.,Yinchuan Ningxia 750409, China)

Aiming at the accident of welded seam leakage of turbine high-pressure cylinder connecting pipe in a power plant,by the macroscopic detection,metallurgical analysis,X-ray energy spectrum analysis,mechanical performance test and electron microscope scan,etc.,finds out the causes of welded seam failures and puts forward the solution and prevention measure.The analysis result shows that due to improper thermal treatment technique,brings on the connecting pipe welds occuring stress relaxation,in the welds of stress concentration,the plasticity deflection of grain boundary in coarse grained region exceed plasticity deformation ability of the locality,thereby reheating crack takes place.The influence of complex stress-strain factor makes the crack extension and dehiscence,finally leading to the welds leakage.

high-pressure cylinder connecting pipe;leakage;thermal treatment;reheating crack

TK263.1

B

1672-3643（2017）03-0063-04

10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.013

2017-03-26

張海軍（1991），男，工程師，從事火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督工作。

有效訪問(wèn)地址：http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-3643.2017.03.013