某超超臨界火電機組鍋爐高溫再熱器管開裂原因分析

楊洪波，邱質(zhì)彬，許 輝，王 魯

（1.貴州華電桐梓發(fā)電有限公司，貴州 遵義 563200；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

電站鍋爐管道部件大多數(shù)長期運行在高溫、高壓環(huán)境中，其材料隨著服役時間的延長會出現(xiàn)不同程度損傷，甚至發(fā)生爆管泄漏事故，嚴(yán)重影響機組的安全運行[1-5]。因此，對鍋爐管道的失效及泄漏原因進(jìn)行針對性地分析總結(jié)，研究其失效特征，才能制定預(yù)防類似事故的措施和對策，進(jìn)而保障機組的安全運行。某超超臨界1000MW機組于2018年8月13日投入運行，累積運行約2000h后發(fā)現(xiàn)，鍋爐大包內(nèi)高溫再熱器入口管屏左數(shù)18屏前數(shù)第4根管（管材為12Cr1MoVG，規(guī)格為φ51×4）與高溫再熱器集箱基建安裝對接焊縫發(fā)生開裂。為了找出開裂原因，為電廠制定相應(yīng)處理措施提供理論依據(jù)，杜絕此類問題再次發(fā)生，對該管子進(jìn)行進(jìn)試驗分析。

1 試驗材料及方法

試驗用斷裂管子宏觀形貌如圖1a，斷裂后的左側(cè)部分為母材（記為斷裂側(cè)母材），右側(cè)部分包含焊縫和母材（記為未斷裂側(cè)母材），相應(yīng)的宏觀斷口形貌分別見圖b、圖c，可見斷裂位置位于焊接接頭的熔合線附近。斷裂的管子上未發(fā)現(xiàn)明顯磨損、腐蝕、刮傷、鼓包、變形（含蠕變變形）等情況，管子壁厚未明顯減薄。

試驗方法包括硬度檢測、金相分析等。硬度檢測使用400HBS-3000A布氏硬度計硬度計，金相分析設(shè)備使用Leica DMI5000M金相顯微鏡。

2 試驗結(jié)果

2.1 硬度檢測

對高溫再熱器管開裂焊口的不同區(qū)域進(jìn)行布氏硬度檢測，其中母材、焊縫測2個點，熱影響區(qū)測1個點，結(jié)果如表1所示。焊縫兩側(cè)母材的平均硬度值分別為146HBW、153HBW，符合DL/T 438-2016標(biāo)準(zhǔn)要求。但是焊縫處平均硬度值為307HBW，遠(yuǎn)高于DL/T 869-2012標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)硬度值分別為249HBW、216HBW，斷裂側(cè)熱影響區(qū)硬度值比未斷裂側(cè)熱影響區(qū)硬度值低33HBW。

圖1 開裂的高溫再熱器管：（a）整體形貌；（b）左側(cè)斷口；（c）右側(cè)斷口

表1 高再取樣管焊口布氏硬度值（HBW）

2.2 金相檢測

高溫再熱器管開裂焊口的金相組織見圖2，未斷裂側(cè)母材的金相組織為鐵素體加貝氏體，球化3.5級，斷裂側(cè)母材的金相組織也為鐵素體加貝氏體，球化3級，兩側(cè)母材金相組織未見嚴(yán)重老化。熱影響區(qū)的金相組織為貝氏體加少量馬氏體，焊縫金相組織也為貝氏體加馬氏體，兩個區(qū)域的組織類型相同，均存在馬氏體淬硬性組織。

圖2 開裂焊口金相組織

圖3 縱截面裂紋形貌

從縱截面金相照片可以看到，管子沿著焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)發(fā)生開裂，在開裂面附近還存在兩條長度較大的次裂紋，裂紋擴展方向均是從管內(nèi)向管外（圖3a）。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋兩側(cè)均覆蓋著一層黑色氧化物，主要沿晶界擴展，在裂紋尖端附近可見斷續(xù)的沿晶微裂紋（圖3b），其擴展方向與長裂紋相同。

3 原因分析

實驗結(jié)果表明，該高溫再熱器管子開裂位置為焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋沿粗晶邊緣擴展，為沿晶裂紋，由裂紋形貌與擴展方式，可確定初始裂紋為焊接再熱裂紋。焊縫兩側(cè)母材的金相組織和硬度未見異常。焊縫和熱影響區(qū)的金相組織均為貝氏體加馬氏體，焊縫平均硬度值為307HBW，超過標(biāo)準(zhǔn)“焊縫硬度不超過母材硬度值加100HBW，對于合金總含量小于或等于3%，焊縫硬度值不大于270HBW”的要求。焊縫硬度過高會導(dǎo)致與母材的彈塑性差異性增加，變形協(xié)調(diào)性降低，同時管子在服役過程中，承受著高溫氧化、水汽腐蝕以及熱應(yīng)力作用，尤其當(dāng)機組啟停以及工質(zhì)參數(shù)波動較大時，焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)會形成較大應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的擴展，最終導(dǎo)致管子開裂。焊縫硬度過高主要是由于焊接工藝或操作不當(dāng)，造成焊接熱量輸入過大或焊接后的冷卻速度過快，形成了淬硬性組織。

4 結(jié)論

（1）高溫再熱器管開裂位置為焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)，從管子內(nèi)表面向外表面開裂，初始裂紋為焊接再熱裂紋。

（2）焊縫硬度偏高，焊縫與母材變形協(xié)調(diào)性降低，受鍋爐運行過程中溫度波動等多方面原因的影響，粗晶區(qū)易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終加速再熱裂紋擴展，最終導(dǎo)致管子開裂。