某電廠300MW供熱機組中溫過熱器焊縫開裂原因分析

劉天佐 張永法

摘 要：本文針對某電廠300MW供熱機組中溫過熱器焊縫開裂問題，進行了宏觀檢查、硬度試驗、金相組織檢驗及掃描電鏡微觀形貌分析，最終確定中溫過熱器焊縫開裂的主要原因是應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力腐蝕；中溫過熱器；焊縫開裂；原因分析

中圖分類號：TK226 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）15-0166-02

1 概述

某電廠300MW供熱機組于2006年10月投產(chǎn)運行，中溫過熱器材料為12Cr1MoVG、規(guī)格φ51×5mm，出口集箱管座規(guī)格φ51×8mm，數(shù)量116根。2018年9月6日鍋爐泄漏，停爐后檢查中溫過熱器出口管道直管段焊縫開裂數(shù)量約22根，主要在爐子左側(cè)，中心線右側(cè)有三根焊縫開裂，帶彎頭的集箱管座未開裂，集箱管座與密封盒焊接，未留安裝密封盒膨脹節(jié)，接頭管開裂位置如圖1所示。抽取三段有代表性的接頭管分析開裂原因，取樣接頭管宏觀照片如圖2所示。

2 試驗內(nèi)容

（1）宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，編號為7#、13#的兩根管段在接頭焊縫附近有開裂，編號37#的管段未發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀裂紋。為使裂紋更清晰可見，將三根管段進行滲透著色檢測（PT檢測），7#管表面存在一條較為明顯的裂紋，裂紋主要沿焊縫熔合線環(huán)向開裂；13#管表面出現(xiàn)多條裂紋，部分裂紋穿過焊縫或母材；37#管外壁表面未見明顯的裂紋顯示。

將管段縱向剖開，對管段內(nèi)壁宏觀檢查，如圖3-圖5所示。7#和13#管內(nèi)壁熔合線附近能發(fā)現(xiàn)多條裂紋，裂紋沿熔合線或靠近熔合線的熱影響區(qū)平行于焊縫環(huán)向分布；焊縫在內(nèi)壁側(cè)成型較差，局部位置能看到輕微咬邊缺陷。37#管內(nèi)壁表面未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋。

在上述剖開管段內(nèi)外壁表面同時進行PT檢測，由圖可見，7#和13#管內(nèi)壁裂紋數(shù)量和長度明顯大于外壁側(cè)，內(nèi)壁側(cè)裂紋均位于焊接接頭熔合線位置或熔合線附近的母材熱影響區(qū)，且內(nèi)壁裂紋的開裂寬度大于外壁裂紋。由此可見，兩接頭管段裂紋由內(nèi)壁側(cè)的熔合線位置或母材熱影響區(qū)生成，向外壁側(cè)擴展，最終穿透整個管段厚度。37#管內(nèi)外壁表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋存在。

（2）化學(xué)成分分析結(jié)果表明，三根取樣接頭管薄壁側(cè)母材取樣化學(xué)成分均符合GB 5310對12Cr1MoVG鋼管化學(xué)成分要求。

（3）三根取樣管薄壁側(cè)母材取樣橫截面布氏硬度測試結(jié)果表明，取樣管布氏硬度值均符合DL/T 438標準對12Cr 1MoV鋼管硬度要求。

表1為三根管焊縫維氏硬度檢驗結(jié)果，根據(jù)DL/T 869規(guī)定：“同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，不超過母材布氏硬度值加100（HBW），且不超過下列規(guī)定：合金總含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW；合金總含量小于10%，且不小于3%，布氏硬度值不大于300HBW?！笨梢?，上述接頭焊縫硬度值均高于厚壁側(cè)母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T 869標準的規(guī)定。

（4）薄壁側(cè)母材管取樣金相檢驗，結(jié)果表明，三管段母材基體組織均為鐵素體+貝氏體，內(nèi)壁側(cè)有輕微脫碳，局部區(qū)域有少量顯微凹坑和軋折，但深度較小。

三管段接頭兩側(cè)母金相檢驗結(jié)果表明，金相組織相同，厚壁側(cè)顯微組織為鐵素體+珠光體，薄壁側(cè)顯微組織為鐵素體+貝氏體；焊縫顯微組織為少量鐵素體+貝氏體，焊縫與兩側(cè)母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷；7#和13#管均存在多條裂紋，且主裂紋邊上有較多的二次裂紋分叉現(xiàn)象，具備應(yīng)力腐蝕開裂特征；裂紋擴展方式為穿晶+沿晶混合形式；根據(jù)二次裂紋方向可以判定，上述裂紋均為內(nèi)壁側(cè)向外壁側(cè)擴展，如圖6-圖8所示。

（5）掃描電鏡微觀形貌分析，7#、13#兩管內(nèi)壁裂紋附近均有較多的氧化產(chǎn)物，且有較多微裂紋存在，且兩管段裂紋附近內(nèi)壁側(cè)腐蝕產(chǎn)物中均有Na、Al、P等元素存在。

3 分析與討論

取樣管7#、13#內(nèi)壁側(cè)熔合線附近均存在多條裂紋，裂紋主要位于焊縫熔合線或母材熱影響區(qū)，沿熔合線或熱影響區(qū)平行于焊縫環(huán)向開裂；根據(jù)內(nèi)外壁裂紋宏觀形貌對比可以看出，兩接頭管裂紋均由內(nèi)壁側(cè)的熔合線位置或母材熱影響區(qū)生成，向外壁側(cè)擴展，并最終穿透整個管壁。焊縫在內(nèi)壁側(cè)成型質(zhì)量較差，局部位置能看到輕微咬邊缺陷。咬邊會減少焊縫位置母材的有效承截面積，并且在咬邊位置引起應(yīng)力集中，特別是低合金高強鋼的焊接，咬邊的邊緣組織被淬硬，易引起裂紋。

接頭管母材化學(xué)成分及硬度值均符合相關(guān)標準規(guī)定，可基本排除開裂側(cè)母材不合格導(dǎo)致開裂的可能性。

接頭維氏硬度試驗結(jié)果表明，焊縫硬度值顯著高于兩側(cè)母材硬度值，且均高于厚壁側(cè)母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T869標準的規(guī)定，表明焊接工藝控制不佳。

三管段薄壁側(cè)母材基體顯微組織均為鐵素體+貝氏體，內(nèi)壁側(cè)有輕微脫碳，局部區(qū)域有少量顯微凹坑和軋折，但深度較小。厚壁側(cè)顯微組織為鐵素體+珠光體。焊縫與兩側(cè)母材熔合良好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷；7#和13#管均存在多條裂紋，且主裂紋邊上有較多的二次裂紋分叉現(xiàn)象，具備應(yīng)力腐蝕開裂特征；裂紋擴展方式為穿晶+沿晶混合形式；根據(jù)二次裂紋方向可以判定，上述裂紋均為內(nèi)壁側(cè)向外壁側(cè)擴展。

掃描電鏡微觀觀察可見，兩開裂管段內(nèi)壁裂紋附近均有較多的氧化產(chǎn)物，且有較多微裂紋存在。對裂紋附近近內(nèi)壁側(cè)腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析顯示，腐蝕產(chǎn)物中均有Na、Al、P等元素存在。經(jīng)排查煮爐藥液的成分為氫氧化鈉和磷酸三鈉可知，上述Na、Al、P等元素在裂紋附近內(nèi)壁側(cè)附著，為煮爐過程中飽和蒸汽攜帶的堿液所致。

結(jié)合圖1，開裂管段均位于中溫過熱器出口集箱的直管座上，而在帶彎頭的管座位置未發(fā)現(xiàn)開裂。結(jié)合鍋爐結(jié)構(gòu)分析，在管段受熱變形時，管段在軸向的伸縮變形受限，導(dǎo)致焊縫接頭位置產(chǎn)生較高的拘束應(yīng)力。帶彎頭的管座由于有彎頭的應(yīng)力釋放作用，相比直管座拘束應(yīng)力要低。焊縫本身焊接質(zhì)量不佳，包括內(nèi)壁側(cè)熔合線位置存在咬邊等缺陷、焊縫硬度過高等，也在一定程度上造成了熔合線及熱影響區(qū)產(chǎn)生較高的附加應(yīng)力。在上述應(yīng)力和堿液的共同作用下，最終導(dǎo)致焊縫沿熔合線及母材熱影響區(qū)等薄弱環(huán)節(jié)開裂。

4 結(jié)論及建議

通過對裂紋管宏觀檢驗及各項理化性能檢驗，得出如下結(jié)論：

接頭開裂原因為，在煮爐過程中，該位置結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，且焊接質(zhì)量不佳使得接頭位置產(chǎn)生了較高的附加應(yīng)力，在較高的應(yīng)力及堿液的共同作用下，最終導(dǎo)致接頭應(yīng)力腐蝕開裂。

針對上述分析，建議如下：

（1）優(yōu)化鍋爐密封結(jié)構(gòu)，盡量降低開裂管段位置由于管段熱脹冷縮產(chǎn)生的拘束應(yīng)力。（2）擴大對現(xiàn)有相同結(jié)構(gòu)及相鄰位置焊縫的檢測，利用超聲、相控陣等手段對接頭位置進行裂紋檢測，對發(fā)現(xiàn)裂紋的焊縫及早處理。（3）提高焊接質(zhì)量，嚴格控制焊接工藝，降低接頭位置殘余焊接應(yīng)力。（4）煮爐期間，加強對汽包液位監(jiān)視和汽水分離控制，堅決避免堿液漫入過熱器，也盡量減少飽和蒸汽攜帶堿液量。

參考文獻

[1] 張棟，鐘道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：132.