某電站鍋爐末級(jí)再熱器管失效原因分析

常 偉，魏 然，于佳宇

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，銀川 750000)

0 前言

某電站鍋爐為SG-2141/25.4-M978型燃煤超臨界直流鍋爐。在運(yùn)行過(guò)程中，該鍋爐標(biāo)高76.49 m大罩殼內(nèi)爐左第5排爐后第2根末級(jí)再熱器出口過(guò)渡段異徑管?63.5 mm側(cè)焊縫熱影響區(qū)部位發(fā)生斷裂。末級(jí)再熱器出口管33排，每排20根管，大罩殼內(nèi)管子變徑部位通過(guò)異徑管相接。斷裂部位材質(zhì)SA213-TP347H，規(guī)格?54×4.5 mm/?63.5×9.5 mm,異徑管大頭在下，其連接部位材質(zhì)SA213-T91，規(guī)格?54×4.5 mm。末級(jí)再熱器出口過(guò)渡段及斷裂部位如圖1所示。

圖1 末級(jí)再熱器出口過(guò)渡段及斷裂部位

1 試驗(yàn)分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)宏觀(guān)檢查

末級(jí)再熱器管斷口檢查見(jiàn)圖2-3，開(kāi)裂主要集中在異徑管大頭?63.5 mm側(cè)熱影響區(qū)，開(kāi)裂部位焊縫根部凸出；整個(gè)斷口較平，壁厚未發(fā)現(xiàn)明顯減薄，初始斷裂區(qū)管子外壁有銹蝕痕跡且顏色較深，從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，整個(gè)斷口呈纖維狀，無(wú)明顯塑性變形，內(nèi)壁有最終斷裂區(qū)，最終斷裂區(qū)較整個(gè)斷裂面略有凹陷且銹蝕色較淺，見(jiàn)圖4。

圖2 末級(jí)再熱器管斷裂現(xiàn)場(chǎng)形貌

圖3 斷裂再熱器管外觀(guān)形貌

圖4 斷口宏觀(guān)形貌

按蒸汽流向，爐后第1根異徑管內(nèi)徑從?55.5 mm增大到?67 mm，大頭在上，蒸汽在變徑部位阻力影響不大，與現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果相一致；爐后第2、3根異徑管內(nèi)徑從?55.5 mm縮小到?44.5 mm，大頭在下，蒸汽在變徑部位受到阻力；采用滲透探傷方法擴(kuò)大檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)大罩殼內(nèi)在大頭在下的相同位置(異徑管大頭部位)共29根管焊縫熱影響區(qū)母材均存在橫向裂紋，大頭在上的均未發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋形貌見(jiàn)圖5。

圖5 末級(jí)再熱器管異徑管大頭部位裂紋形貌

1.2 資料查閱

查閱制造安裝資料，末級(jí)再熱器管材質(zhì)為SA213-TP347H，施焊均采用GTAW焊接，兩道焊，預(yù)熱、焊后熱處理、加熱和測(cè)溫不要求，層間溫度≤250 ℃；發(fā)生斷裂的異徑管SA213-TP347H一端與過(guò)渡段SA213-T91對(duì)接焊口屬制造焊口，焊后整體熱處理。

查閱末級(jí)再熱器出口管過(guò)渡段制造資料，爐后第1根異徑管和爐后第2、3根異徑管結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。異徑管大頭側(cè)(?63.5)加工角度均為30 °。

圖6 異徑管結(jié)構(gòu)圖

資料查閱發(fā)現(xiàn)，焊接工藝中層間溫度的控制不符合標(biāo)準(zhǔn)〔1〕DL/T 869-2012附錄E中“層間溫度應(yīng)控制在150 ℃以下”的要求，焊接工藝不規(guī)范；內(nèi)壁加工倒角30 °大于標(biāo)準(zhǔn)〔1〕DL/T 869-2012中4.3.4條“內(nèi)壁尺寸不相等，兩側(cè)壁厚差小于等于10 mm組焊時(shí)，加工倒角應(yīng)為15 °”的要求，與焊接根部凸出部位形成凹溝，導(dǎo)致此處管壁應(yīng)力陡增。

1.3 金相檢驗(yàn)

為了查明末級(jí)再熱器管失效的原因，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)〔2〕DL/T 884-2019，采用FeCl3鹽酸水溶液侵蝕，Zeiss Axio Observer A1m倒置式光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察，對(duì)斷裂的末級(jí)再熱器管焊縫、接管及異徑管母材分別取樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)。

斷裂的末級(jí)再熱器管焊縫金相組織為奧氏體，從打底層至蓋面層奧氏體晶粒逐漸粗化，焊縫根部熔合區(qū)母材，晶粒度1級(jí)〔3〕，見(jiàn)圖7。

圖7 末級(jí)再熱器管焊縫金相組織形貌

對(duì)斷裂部位取樣觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，斷口附近內(nèi)外壁均存在多條細(xì)小的沿晶裂紋，見(jiàn)圖8。

圖8 土壤電阻率隨溫度變化圖

圖8 末級(jí)再熱器管斷裂部位內(nèi)外壁沿晶裂紋形貌

距斷口100 mm尺寸為?63.5×9.5 mm接管母材金相組織為奧氏體，晶粒度4-7級(jí)〔3〕，混晶；斷口異徑管母材金相組織為奧氏體，晶粒度2-4級(jí)〔3〕，混晶，見(jiàn)圖9。

圖9 土壤電阻率隨濕度變化圖

圖9 末級(jí)再熱器管母材金相組織形貌

金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，斷裂的末級(jí)再熱器管焊縫從打底層至蓋面層奧氏體晶粒逐漸粗化，焊縫根部熔合區(qū)附近母材晶粒度1級(jí)，不符合標(biāo)準(zhǔn)〔4〕GB/T 5310-2017中6.9條“材質(zhì)07Cr19Ni10成品鋼管晶粒度控制在4-7級(jí)”的要求；主裂紋及二次裂紋均為沿晶走向，具有晶間腐蝕的特征。

1.4 斷口微觀(guān)分析

對(duì)斷裂的末級(jí)再熱器管從初始斷裂區(qū)和終斷區(qū)分別取樣，采用掃描電鏡對(duì)斷口微觀(guān)檢查。

初始斷裂區(qū)試樣如圖10所示，斷口自上至下依次為斷口外壁、中間部位、斷口內(nèi)壁，斷口外壁有沿晶裂紋，斷口中間部位可見(jiàn)明顯韌窩，斷口內(nèi)壁較平整。

圖10 初始斷裂區(qū)試樣斷口微觀(guān)形貌

終斷區(qū)如圖11所示，斷口自上至下依次為斷口內(nèi)壁、中間部位、斷口外壁，整個(gè)斷口基本都為韌窩形貌。靠近外壁表面局部區(qū)域韌窩較小較淺，其余大部分范圍內(nèi)韌窩較大較深?？拷鼉?nèi)壁表面局部區(qū)域較平直，其余大部分范圍內(nèi)韌窩較大較深。

圖11 終斷區(qū)試樣斷口微觀(guān)形貌

掃描電鏡結(jié)果顯示，初始開(kāi)裂部位外壁(斷裂源區(qū))有沿晶裂紋；中間(擴(kuò)展區(qū))可見(jiàn)明顯韌窩，內(nèi)壁較平整；終斷區(qū)內(nèi)外壁韌窩較小較淺，其余大部分范圍內(nèi)韌窩較大較深，符合晶間沉淀相引起的沿晶斷口特征〔5〕。

2 結(jié)論

綜合分析認(rèn)為材質(zhì)SA213-TP347H的末級(jí)再熱器管在異徑管大頭部位失效的主要原因是，由于焊接熱輸入過(guò)大，層間溫度高，管子變徑過(guò)渡部位內(nèi)外壁產(chǎn)生沿晶裂紋源；在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、蒸汽阻力和焊接殘余應(yīng)力等的綜合作用下，使晶間腐蝕速度加快，裂紋擴(kuò)展加速，最終斷裂失效。

異徑管SA213-TP347H尺寸為?63.5×9.5 mm端與過(guò)渡段SA213-T91對(duì)接焊口屬制造焊口，焊后整體熱處理，溫度680 ℃，奧氏體不銹鋼在敏化溫度400～850 ℃的區(qū)域，碳化物會(huì)在晶界沉淀析出，增加了晶間腐蝕傾向；焊接過(guò)程中，對(duì)于焊縫熱影響區(qū)母材相當(dāng)于再一次加熱，熔合線(xiàn)附近都有被加熱到400～850 ℃的區(qū)域，增加了晶間腐蝕發(fā)生破壞的敏感性〔6〕。末級(jí)再熱器管斷口焊接接頭焊接熱輸入大、層間溫度過(guò)高，造成焊層厚度不均勻且超過(guò)焊絲直徑、異徑管大頭晶粒度粗大，熔合區(qū)附近母材組織粗化，在管子變徑過(guò)渡部位內(nèi)外壁產(chǎn)生晶間腐蝕的裂紋源，具有晶間腐蝕的特征，斷裂處內(nèi)、外壁沿晶裂紋證明此點(diǎn)。晶粒粗大加速晶間腐蝕，因?yàn)樵谝欢w積內(nèi)粗晶的晶界面積較小，在固定的敏化處理的情況下，碳化物的沉淀是一定的，此時(shí)粗晶的晶界碳化物密度較大〔6〕。當(dāng)沉淀相的尺寸增加到在晶界占比較大時(shí)，裂紋擴(kuò)展則不需要通過(guò)更多的變形，斷口形貌逐漸會(huì)變?yōu)榇嘈浴?〕。沿晶裂紋在結(jié)構(gòu)應(yīng)力、蒸汽阻力和焊接殘余應(yīng)力等的綜合作用下，裂紋擴(kuò)展加速，最終斷裂失效。

3 建議

建議對(duì)相同結(jié)構(gòu)的末級(jí)再熱器管加強(qiáng)監(jiān)督檢查，保證新更換異徑管結(jié)構(gòu)和加工尺寸符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，避免應(yīng)力集中；對(duì)于SA213-TP347H與T91的焊口，建議采用奧氏體焊材，小線(xiàn)能量進(jìn)行焊接。如進(jìn)行焊后熱處理，應(yīng)有熱處理工藝且嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，避免晶間腐蝕萌生裂紋源。