超超臨界機(jī)組低溫再熱器導(dǎo)向管夾焊縫泄漏分析

趙煒煒， 彭以超，閆 飛，樓玉民， 許好好，王賢明

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121；3.浙江浙能中煤舟山煤電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316131）

0 引言

某發(fā)電廠2×1 000 MW 超超臨界機(jī)組鍋爐型號(hào)為B&WB-3048/26.15-M，其低溫再熱器（以下簡稱“低再”）水平管組采用H 型導(dǎo)向管夾，提供管屏變形出列的拘束力。投運(yùn)4 年內(nèi)，低再水平管組最上倉導(dǎo)向管夾焊縫在6 次水壓試驗(yàn)中共發(fā)現(xiàn)9 處泄漏，運(yùn)行時(shí)間約6 000 h 時(shí)即發(fā)現(xiàn)第1次泄漏，第6 次泄漏時(shí)共泄漏4 處。

該泄漏位置為鐵素體鋼與奧氏體鋼異種鋼焊接焊縫。 其中低再材質(zhì)為12Cr1MoV，屬低合金珠光體耐熱鋼，具有較高的抗氧化性和熱強(qiáng)性[1]，最高工作溫度達(dá)600 ℃，焊接性能良好，有一定的再熱傾向[2-5]，焊接結(jié)構(gòu)中也經(jīng)常出現(xiàn)焊接冷裂紋[6]。導(dǎo)向管夾材質(zhì)為0Cr18Ni9，屬于奧氏體不銹鋼，具有良好的高溫性能，但焊接時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，自由焊接時(shí)易產(chǎn)生較大變形[6]。

12Cr1MoV 鋼異種鋼焊接開裂是發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行中常見的金屬失效事故[7-12]，然而對(duì)于百萬超超臨界機(jī)組低再管12Cr1MoV 與0Cr18Ni9 材質(zhì)不銹鋼導(dǎo)向管夾異種鋼焊接開裂失效卻鮮有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。本文通過對(duì)低再導(dǎo)向管夾焊縫裂紋進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)、顯微硬度分析，并結(jié)合焊接工藝及具體焊接環(huán)境來分析該焊縫開裂的原因，并針對(duì)失效原因提出了針對(duì)性的措施，對(duì)保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

圖1 為低再從上往下數(shù)第一倉蛇形管結(jié)構(gòu)示意，可以看出，蛇形管組通過前后墻支撐塊疊羅漢式承重。泄漏發(fā)生在Ⅰ，Ⅲ導(dǎo)向管夾處，導(dǎo)向管夾本身無承重設(shè)計(jì)。低再管規(guī)格為Φ60 mm×4.5 mm，導(dǎo)向管夾厚10 mm。

圖1 低溫再熱器結(jié)構(gòu)及泄漏位置

本次試驗(yàn)中共割取第6 次水壓試驗(yàn)中Ⅰ位置泄漏的管樣3 根、Ⅲ位置泄漏管樣1 根，并且隨機(jī)割?、?，Ⅳ位置未泄漏管樣11 根作為對(duì)比。割除所有管樣導(dǎo)向管夾，并打磨拋光低再管外表面后發(fā)現(xiàn)：泄漏管樣焊縫裂紋均在低再管與導(dǎo)向管夾搭接焊縫銳角側(cè)起收弧位置，裂紋基本沿著熔合線附近起裂，表面裂紋較長且開口較粗（如圖2 所示）；然而，隨機(jī)割取的11 根未泄漏管樣導(dǎo)向夾焊縫也同樣存在與泄漏焊縫相類似的表面裂紋，只是未泄漏管樣表面裂紋長度較短，開口較細(xì)。 由宏觀檢查結(jié)果推測該焊縫裂紋存在普遍性，并且比例極高。

1.2 金相檢驗(yàn)

取泄漏和未泄漏管樣各1 根做檢驗(yàn)，分別編號(hào)為1 號(hào)、2 號(hào)，垂直裂紋橫向切開以觀察裂紋附近的金相組織。

圖3 為1 號(hào)試樣裂紋的低倍形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)熔池很深，熱影響區(qū)貫穿整個(gè)管壁，表明焊接時(shí)熱輸入量較高。裂紋均在熔池熔合線處起裂，沿著熔池?zé)嵊绊憛^(qū)開裂約1/3 管壁，泄漏管樣裂紋在此稍變方向，呈與徑向約45°擴(kuò)展直至裂穿。

圖2 導(dǎo)向管夾結(jié)構(gòu)及泄漏部位示意

圖3 裂紋宏觀形貌

圖4 為1 號(hào)泄漏管樣金相形貌。以圖3 橫截面裂紋拐點(diǎn)為分界點(diǎn)，前1/3 段裂紋呈沿晶開裂，并存在較多二次沿晶裂紋，如圖4（a）所示；后2/3段裂紋呈沿晶、穿晶混合特征，如圖4（b）所示。熔池組織為針狀貝氏體，熱影響區(qū)組織為鐵素體和粒狀貝氏體，如圖4（c）所示，母材金相組織為鐵素體、珠光體和粒狀貝氏體，如圖4（d）所示。

圖5 為2 號(hào)未泄漏管樣金相照片，其熔池相對(duì)較小，但熱影響區(qū)也達(dá)到整個(gè)壁厚，如圖5（a）所示，表明焊接時(shí)熱輸入量比泄漏管樣相對(duì)較小。

2 號(hào)未泄漏管樣裂紋開裂深度約1/5 管壁，如圖5（a）所示，裂紋也呈明顯的沿晶開裂特征，主裂紋周圍存在較多二次沿晶裂紋，如圖5（b）所示。其熔池、母材組織與1 號(hào)樣相同。

1.3 化學(xué)成分

使用型號(hào)Thermo Niton XL3t 980 合金成分儀對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)管樣導(dǎo)向管夾及管子進(jìn)行成分檢驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。依據(jù)GB 5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》，低再管成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 依據(jù)GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》，導(dǎo)向管夾除Cr 含量稍低于標(biāo)準(zhǔn)要求，其他成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 1 號(hào)管樣金相組織

圖5 2 號(hào)管樣裂紋金相組織

表1 化學(xué)成分分析（質(zhì)量百分比）%

1.4 顯微硬度檢驗(yàn)

使用INNOVATEST-511 顯微硬度計(jì)在1 號(hào)、2 號(hào)管樣橫截面上進(jìn)行顯微硬度分析。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1號(hào)泄漏管樣顯微硬度從熔池至母材呈弓形先升后降（如圖6 所示）：焊縫硬度值在250～261 HV1，熔合線附近粗細(xì)晶淬硬組織位置顯微硬度值最高，裂紋正是沿著該區(qū)域擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)硬度值在262～318 HV1，遠(yuǎn)高于母材100 HV1 以上（母材為177 HV1）。同樣，2 號(hào)管樣表現(xiàn)出完全類似的特征：裂紋兩側(cè)硬度值在289～303 HV1，焊縫硬度值在246～254 HV1，母材硬度為179 HV1（如圖7 所示）。

圖6 1 號(hào)管樣焊縫周圍顯微硬度分布

圖7 2 號(hào)管樣焊縫周圍顯微硬度分布

因此，焊接裂紋表現(xiàn)出沿?zé)嵊绊憛^(qū)高硬度區(qū)擴(kuò)展的特征。

1.5 SEM 斷口掃描

使用蔡司Sigma300 掃描電鏡對(duì)1 號(hào)、2 號(hào)管樣斷口形貌進(jìn)行觀察。以圖3 橫截面裂紋拐點(diǎn)為分界點(diǎn)，1 號(hào)管樣斷口前1/3 段為沿晶斷口，斷口均被氧化物覆蓋，表明裂開時(shí)間較長；裂紋起始位置液相前沿生長的晶胞面，如圖8（a）所示，表明焊接時(shí)冷卻速度非常快，殘余應(yīng)力較大，液相面未熔合即被拉開，具有典型的熱裂紋特征[13]；隨著裂紋擴(kuò)展深入，冰糖狀形貌清晰可見，如圖8（b）所示。斷口后2/3 段撕裂棱后有小區(qū)域的疲勞紋，如圖8（c）所示，最后撕裂位置呈穿晶的快速撕裂特征，如圖8（d）所示。

圖8 1 號(hào)管樣斷口掃描照片

掃描2 號(hào)管樣裂紋開裂區(qū)域斷口，呈現(xiàn)沿晶斷口形貌。斷口表面有氧化物覆蓋，有熔融狀焊接遺留物，如圖9（a）所示，能譜分析Cr 含量較高，與管子母材不易融合，形成焊接裂紋，冰糖狀形貌清晰可見，如圖9（b）所示，與1 號(hào)管樣前1/3 段斷裂特征相同；斷口末端有河流花樣如圖9（c）所示、撕裂棱如圖9（d）所示，表明裂紋已有開始擴(kuò)展跡象。

圖9 2 號(hào)管樣斷口掃描照片

2 分析討論

2.1 原始焊接裂紋分析

從隨機(jī)割取的所有未泄漏管樣導(dǎo)向管夾焊縫發(fā)現(xiàn)存在與泄漏焊縫相類似的焊縫裂紋，并且金相、硬度、斷口形貌檢驗(yàn)結(jié)果具有非常類似的特征，說明低再管導(dǎo)向管夾焊縫裂紋具有普遍性，并且比例極高，因此該發(fā)電廠2 臺(tái)機(jī)組該位置的所有導(dǎo)向管夾焊縫皆存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

橫截面熔池較深，熱影響區(qū)較大，表明焊接時(shí)熱輸入量較高，電流偏大。該裂紋的起始部位在熔合線附近的元素非擴(kuò)散區(qū)，該處由于熱輸入量較高也發(fā)生了一定程度的熔融，但尚未出現(xiàn)熔池元素?cái)U(kuò)散過來，仍為母材成分。由于冷卻時(shí)速度非?？?，局部應(yīng)變大造成較高內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致熔融金屬尚未凝固時(shí)即被拉開，液相前沿呈晶胞型式發(fā)展，形成了圖8（a）所示的晶胞面斷口。晶胞面組織為典型的焊接熱裂紋。裂紋有沿著高硬度淬硬組織擴(kuò)展開裂特征，與此區(qū)域硬度偏高、塑性性能下降有關(guān)，結(jié)合斷口形貌，呈現(xiàn)高溫低塑性裂紋特征，與表面局部熱裂紋統(tǒng)一描述為焊接裂紋。原始焊接裂紋的長度和深度直接與焊接時(shí)的熱輸入量息息相關(guān)，熱輸入量非常高時(shí)，原始焊接裂紋長而深，則發(fā)生早期泄漏的風(fēng)險(xiǎn)也更大。

通過以上分析，推斷裂紋形成擴(kuò)展分3 個(gè)階段：焊接裂紋、疲勞擴(kuò)展、撕裂擴(kuò)展，其中焊接裂紋在焊接完成后已經(jīng)產(chǎn)生。斷口最終撕裂位置未發(fā)現(xiàn)新鮮撕裂斷口痕跡，可以排除水壓試驗(yàn)導(dǎo)致管子最終撕裂。

2.2 焊接問題分析

鍋爐廠提供的焊接工藝為：E7018-A1 焊材，隨機(jī)選用Φ3.2 mm/Φ4.0 mm 規(guī)格焊條，最低預(yù)熱溫度10 ℃，最高層間溫度260 ℃。

而據(jù)了解，實(shí)際焊接工藝執(zhí)行不良。事實(shí)上導(dǎo)向管夾在冬季施焊，未進(jìn)行預(yù)熱處理直接施焊，焊后未進(jìn)行保溫處理，實(shí)際工件溫度低于B1 類鋼材施焊最低環(huán)境溫度（0 ℃）[14-15]。焊接采用一次焊接成形，焊接電流過大，冬天焊接時(shí)冷卻速度大，導(dǎo)致焊縫焊趾處殘余應(yīng)力大，在管子熔池?zé)嵊绊憛^(qū)淬硬組織處拉裂，形成原始焊接裂紋。

另外，值得指出的是，選用E7018-A1 焊條雖不符合異種鋼焊接規(guī)程[16]要求，但滿足鍋爐廠附焊件降低焊縫強(qiáng)度保護(hù)管子的設(shè)計(jì)理念。

巴威公司同類型鍋爐相同位置相同焊接工藝在其他發(fā)電廠并未發(fā)生類似泄漏事故，因此該發(fā)電廠的泄漏具有特殊性。

2.3 裂紋擴(kuò)展分析

從每次水壓皆出現(xiàn)泄漏可知，導(dǎo)向管卡裂紋并非是靜態(tài)的，而以一定速率在逐漸地?cái)U(kuò)展。只是由于原始裂紋的長短不同和裂紋不同階段擴(kuò)展的速率不同，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展直至貫穿所需時(shí)間不一致，暫時(shí)沒有造成大面積的泄漏。事實(shí)上從第6 次泄漏時(shí)單次出現(xiàn)4 個(gè)位置即表明大量原始焊接裂紋已進(jìn)入快速擴(kuò)展的階段，因此，該缺陷雖然只是水壓泄漏未引起運(yùn)行時(shí)爆管，但依舊亟需盡快解決和處理。

造成裂紋擴(kuò)展的原因可能與低再垂直管段往下膨脹導(dǎo)致導(dǎo)向管夾承重；鍋爐啟停、負(fù)荷變化；奧氏體管卡與鐵素體管子膨脹差等各種應(yīng)力在焊接裂紋尖端形成應(yīng)力集中。

導(dǎo)向管夾厚度是管子壁厚的2 倍多，管夾強(qiáng)度大于管子剩余壁厚強(qiáng)度，導(dǎo)致管卡在裂紋尖端應(yīng)力集中位置使裂紋沿約45°方向疲勞擴(kuò)展，最后撕裂。

3 結(jié)語

低再導(dǎo)向管夾連續(xù)發(fā)生多次泄漏，主要原因是該批次該位置存在極高比例的原始焊接裂紋，運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)力一直變化，焊縫裂紋尖端應(yīng)力集中位置疲勞擴(kuò)展。

原始焊接裂紋主要是由于施焊環(huán)境溫度過低、施焊工件溫度低于0 ℃、焊條尺寸選用不當(dāng)、焊接電流偏大，導(dǎo)致在角焊縫內(nèi)側(cè)熔合線區(qū)域形成焊接裂紋。