12Cr1MoVG小徑厚壁管焊縫橫向開裂分析及處理

徐 賢，吳國忠，常 偉，于佳宇，魏 然，肖德銘，常 青

(1.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司銀川分公司，寧夏 銀川 750004；2.國能鍋爐壓力容器檢驗(yàn)有限公司，北京 102209)

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組發(fā)展趨勢是提高蒸汽參數(shù)以提高發(fā)電機(jī)組的效率，隨著蒸汽溫度和壓力的提高，鍋爐受熱面的結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，越來越廣泛地使用小徑厚壁管，尤其超超臨界機(jī)組的水冷壁管、高溫過熱器管、后屏過熱器管等都是小徑厚壁管[1-2]。超超臨界機(jī)組鍋爐受熱面管徑厚比變小，對管材的冶煉、加工、力學(xué)性能有著顯著影響，同時(shí)也影響材料的焊接工藝、接頭的性能及檢測[3-4]，尤其是現(xiàn)場安裝焊接的難度變大，產(chǎn)生裂紋缺陷的焊縫數(shù)量增加，另外焊縫射線透照檢測效果差，裂紋檢出率也相應(yīng)降低[5-6]。

超超臨界機(jī)組相比亞臨界機(jī)組，高溫蒸汽管道、高溫受熱面管使用了大量的高合金馬氏體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，水冷壁也用到了12Cr1MoV、15CrMo等低合金耐熱鋼。12Cr1MoV等低合金耐熱鋼應(yīng)用時(shí)間長、焊接工藝成熟，高合金的馬氏體耐熱鋼應(yīng)用時(shí)間相對較短，因此在焊接過程中，技術(shù)人員都比較重視關(guān)注高合金鋼的焊接質(zhì)量，放松了低合金鋼的焊接質(zhì)量監(jiān)督。但超超臨界機(jī)組水冷壁管相比亞臨界機(jī)組徑厚比大大降低，由于結(jié)構(gòu)的改變，焊接、檢測都存在不同，不重視必然出現(xiàn)焊接裂紋。

近年來，超超臨界機(jī)組水冷壁管在安裝中、投運(yùn)前期發(fā)生多次焊接裂紋事件[6-9]，嚴(yán)重影響了工程質(zhì)量和進(jìn)度，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。水冷壁管開裂失效事件常見[10-14]，但水冷壁管大量焊縫橫向開裂情況少見，本文針對1000MW超超臨界鍋爐12Cr1MoVG水冷壁管安裝焊縫出現(xiàn)的橫向裂紋進(jìn)行失效分析，以引起同行重視低合金小徑厚壁管的焊接。

12Cr1MoVG鋼屬珠光體低合金耐熱鋼，該鋼具有較高的熱強(qiáng)性和持久性，被普遍用于制造壁溫小于580 ℃的受熱面管子，壁溫小于565 ℃的集箱、蒸汽管道[15-16]。由于12Cr1MoVG鋼焊接性較好，但淬硬傾向較大，具有較大的冷裂敏感性，為保證焊接接頭的可靠性，需嚴(yán)格控制焊接工藝，盡可能減少焊接缺陷[17]。另外，在焊接過程中，由于受到不均勻的局部加熱和冷卻，使材料產(chǎn)生了不均勻的體積膨脹和收縮，導(dǎo)致鋼材內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力易引發(fā)裂紋，不僅會使接頭的強(qiáng)度和韌性下降，甚至?xí)?dǎo)致接頭開裂[18]。

某公司#1、#2鍋爐為1000MW超超臨界直流鍋爐，水冷壁采用全焊接的膜式壁、內(nèi)螺紋垂直上升式，下部管屏為材質(zhì)12Cr1MoVG、規(guī)格Φ28.6mm×5.8mm(最小壁厚)、焊材E55-B2-MnV。#1、#2鍋爐在試運(yùn)及投運(yùn)初期的甩負(fù)荷過程中，先后發(fā)生12Cr1MoVG鋼水冷壁管安裝焊縫橫向開裂泄漏停機(jī)，焊縫在安裝過程中均經(jīng)100%射線檢測合格。#1爐開裂泄漏2次共7焊口開裂，割管抽樣58焊口15道有裂紋，X-射線垂直透照復(fù)檢9002道發(fā)現(xiàn)183道有裂紋；#2爐開裂泄漏3次共6焊口有裂紋，割管抽樣88焊口23道有裂紋，X-射線垂直透照復(fù)檢1692道發(fā)現(xiàn)10道有裂紋。

1 試驗(yàn)分析

為查明水冷壁管焊縫橫向開裂的原因，#1爐割管48道焊縫、#2割管57道焊縫、1道開裂泄漏、2道射線檢測發(fā)現(xiàn)裂紋進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，抽樣包括安裝焊縫、廠家焊縫、裂穿焊縫，抽樣全部進(jìn)行了宏觀檢查、金相組織分析、硬度檢測，抽取3道焊縫(已裂穿、射線檢測發(fā)現(xiàn)裂紋)進(jìn)行化學(xué)成分分析，1道裂穿焊縫裂紋面打開進(jìn)行微觀形貌觀察，部分抽樣的編號及取樣位置如表1所示。

表1 試樣編號及取樣部位

1.1 宏觀檢查

對所有抽樣管進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)部分焊接接頭存在明顯角變形，應(yīng)是焊接熱輸入過大所致。制造焊縫未見開裂；開裂泄漏均位于安裝焊縫，裂紋特征是垂直焊縫橫向開裂(見圖1(a)、1(b))，焊縫開裂應(yīng)與安裝焊接有關(guān)。已發(fā)現(xiàn)的焊縫裂紋，內(nèi)壁裂紋長于外壁，裂紋管剖開內(nèi)壁裂紋長度11mm，外壁未見裂紋(見圖1(b)、1(c))，裂紋主要從內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展。抽樣管尺寸測量，管徑均未見脹粗，開裂應(yīng)與超溫關(guān)系不大；抽樣管壁厚度測量，2根管均小于6.0mm(5.82mm、5.96mm)，其余管壁實(shí)際厚度均大于6.0mm，按照《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》(DL/T869-2012)，焊接工藝應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱。

1.2 化學(xué)成分分析

針對水冷壁開裂焊縫抽樣3個(gè)進(jìn)行化學(xué)成分分析，母材的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)《高壓鍋爐用無縫鋼管》(GB/T5310-2017)對12Cr1MoVG鋼的規(guī)定；焊縫中Si、Mn含量介于焊絲與母材之間，是焊接過程中母材對焊縫成分的稀釋所致，符合焊接標(biāo)準(zhǔn)，其它元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

1.3 金相檢驗(yàn)

根據(jù)前期已發(fā)現(xiàn)的裂紋均橫向開裂的特征，對#1、#2爐水冷壁抽樣管焊縫環(huán)切、1道穿透裂紋接頭進(jìn)行低倍及高倍組織檢查分析。

(1)低倍組織檢查

焊縫環(huán)切低倍檢查，#2爐檢查57道焊口發(fā)現(xiàn)16道焊口存在裂紋(深度在0.1～2mm)；#1爐檢查48道焊口(其中8道二次返修焊口)，14道存在裂紋(深度在0.056～1.35mm)、6道未熔合，其中8道返修焊口發(fā)現(xiàn)1道有裂紋、4道存在未熔合(見圖2(a))。原始安裝焊縫均由打底、蓋面兩層完成，焊層厚度比較厚，晶粒粗大宏觀可見(如圖2(b))；裂紋在向火側(cè)、背火側(cè)、鰭片對應(yīng)位置均有分布(見圖2(b)～2(d))；裂紋大多起始于焊縫打底層內(nèi)壁、近內(nèi)壁處(見圖2(b)～2(e))；部分焊縫裂紋起始于接頭夾角處，如#1爐9處裂紋、4處未熔合起始焊縫根部接頭夾角處(見圖2(a)、2(c))，存在應(yīng)力集中夾角，在應(yīng)力集中夾角出現(xiàn)的裂紋、未熔合概率比較高；部分焊縫根部突出嚴(yán)重，內(nèi)徑11mm(見圖2(e))；有裂紋的焊縫縱向剖開，內(nèi)壁酸洗后檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋垂直焊縫，位于焊縫打底層中部，管子內(nèi)壁坡口附近均已加工，未見直道等線性缺陷(如圖2(f))，表明焊縫開裂與管材本身可能存在軋制缺陷無關(guān)。

圖2 水冷壁焊縫典型裂紋、未熔合低倍形貌

(2)微觀組織分析

抽樣焊縫制樣后采用Axio Observer.Alm金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，母材組織均未見異常；廠家焊縫抽樣未見裂紋及異常組織；焊縫組織以貝氏體組織為主，焊縫及熱影響區(qū)局部均存在馬氏體組織(見圖3(a)～3(c))+網(wǎng)狀組織(見圖3(a)～3(b))，部分焊縫馬氏體含量較多；蓋面層晶粒粗大(見圖3(a)、3(b))，裂紋大部分單向擴(kuò)展，主裂紋旁的分支少(見圖3(d))。返修焊縫增加預(yù)熱后，抽檢8道焊縫發(fā)現(xiàn)1道有裂紋、4道存在未熔合，馬氏體組織占比減少，但仍存在網(wǎng)狀組織。焊縫中存在裂紋、馬氏體組織，不符合標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》(DL/T869-2012)7.4條“焊縫金相組織沒有裂紋、淬硬的馬氏體組織”的規(guī)定。

圖3 典型焊接接頭微觀組織及裂紋形貌

#1焊縫從焊縫橫向、裂紋尖端、縱向全接頭(非開裂部位)取進(jìn)行金相組織檢查，焊縫組織粗大(見圖4(a))，裂紋為多源區(qū)多處開裂貫穿，始于打底層(見圖4(b)、4(c))；母材組織未見異常(見圖5(a))，焊縫組織為貝氏體組織為主(見圖5(d))，焊縫及熱影響區(qū)局部均存在網(wǎng)狀組織(見圖5(b)、5(c))，主裂縫旁二次裂紋為穿晶開裂，裂紋內(nèi)部有氧化物(見圖5(e)、5(f))。

圖4 #1爐裂紋已穿透的#12焊縫及裂紋形貌

圖5 #1爐裂紋已穿透的#12焊縫微觀組織及裂紋形貌

1.4 硬度檢查

注：表中測試值為多點(diǎn)平均值。

對水冷壁焊縫取樣全部進(jìn)行了布氏硬度檢測，#2爐57個(gè)焊口41個(gè)焊縫、#1爐40個(gè)焊口32個(gè)焊縫、#1爐8個(gè)返修焊口6道焊縫硬度值超出標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》(DL/T869-2012)12Cr1MoV焊縫硬度不超270HBW的規(guī)定，部分焊縫硬度檢測結(jié)果如表3所示；#1樣焊縫取樣進(jìn)行顯微硬度測試，焊縫硬度整體偏高，開裂面硬度值相對較高，檢測結(jié)果如表4所示。焊縫硬度值不均勻，個(gè)別焊口硬度值差異比較大，焊縫硬度測試結(jié)果與金相組織相吻合，焊縫組織粗大、馬氏體組織占比大的，硬度值相應(yīng)也偏高。

表3 焊縫硬度檢測結(jié)果 HBW

表4 #1焊縫顯微硬度測試結(jié)果 HV1

1.5 掃描電鏡觀察及能譜分析

(1)針對焊縫中普遍存在網(wǎng)狀組織，抽取2道焊縫(#7、#9)對裂紋、網(wǎng)狀組織掃描電鏡觀察和能譜分析。焊縫中裂紋經(jīng)掃描電鏡確認(rèn)無誤(見圖6(a)、6(b))。裂紋、網(wǎng)狀組織多點(diǎn)采集進(jìn)行能譜分析，裂紋、網(wǎng)狀組織部位的S、P含量沒有或不高，未見異常(見圖6(c)、6(f))。網(wǎng)狀組織區(qū)域掃描電鏡形貌檢查，電鏡下網(wǎng)狀組織呈沿晶界孔穴狀分布(見圖6(d)、6(e))，這有兩種可能，一是沿晶界孔穴狀分布的高溫孔穴性開裂，焊接過程中，高溫下由于金屬原子熱振動(dòng)，具有一定空位濃度，過飽和狀態(tài)的空位，受收縮應(yīng)變誘導(dǎo)，在晶界聚集成核長大[19]；另一種是晶界析出物制樣過程中脫落所致，從微觀形態(tài)上看，這種可能性大。網(wǎng)狀晶界應(yīng)是高溫下金屬原子熱振動(dòng)的結(jié)果，與焊接工藝規(guī)范的執(zhí)行有關(guān)。

圖6 #9樣裂紋掃描電鏡形貌及能譜分析

(2)#1樣裂紋打開進(jìn)行掃描電鏡觀查，分析形貌如圖7所示。低倍下可見放射狀花樣，主裂紋整體從內(nèi)壁向外壁放射狀發(fā)展，裂紋表面大部分區(qū)域被氧化物覆蓋，局部區(qū)域可見準(zhǔn)解理斷裂形貌(見圖7(c))。

圖7 #1樣開裂面掃描電鏡形貌及能譜分析

對裂紋面的外壁、內(nèi)壁、熱影響區(qū)取點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，裂紋面主要為鐵的氧化物，未見腐蝕性元素，能譜分析取點(diǎn)及結(jié)果如圖8及表5所示。

表5 #1樣裂紋面能譜測試結(jié)果 wt%

圖8 #1樣開裂面能譜測試位置

2 安裝焊接工藝

#1、#2鍋爐水冷壁現(xiàn)場施焊主要集中在2016年10月至2017年6月之間，某發(fā)電公司地處西北，此時(shí)間段大部分時(shí)間環(huán)境溫度較低且多風(fēng)。#2爐材質(zhì)12Cr1MoVG、規(guī)格Φ28.6×5.8MWT的水冷壁現(xiàn)場焊接工藝卡“焊接方法GTAW，焊絲CHG-55B2V，不預(yù)熱，層間溫度200～300℃，焊層3道完成，焊后不進(jìn)行熱處理”；#1爐的焊接工藝評定任務(wù)書“焊接方法Ws，焊絲TIG-R31，多層單道，不預(yù)熱，層間溫度200～300℃，焊后不進(jìn)行熱處理”。依據(jù)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》(DL/T869-2012 )

5.2.2管材焊前預(yù)熱溫度推薦附表3“12Cr1MoVG鋼管壁厚≥6mm，推薦預(yù)熱溫度200～300℃”；以及5.4.4 條“壁厚不大于8mm或管徑不大于108mm，材料為12Cr1MoV、12Cr2Mo的管子，采用氬弧焊或低氫型焊條，焊前預(yù)熱和焊后適當(dāng)緩慢冷卻的焊接接頭可以不進(jìn)行焊后熱處理”，水冷壁管最小壁厚供貨，實(shí)際壁厚大部分大于6.0mm，按規(guī)程要求應(yīng)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷措施?，F(xiàn)場實(shí)際安裝過程中#1、#2爐水冷壁焊接工藝均未要求預(yù)熱，根據(jù)實(shí)際安裝的低溫、多風(fēng)環(huán)境條件，現(xiàn)場施焊焊前不預(yù)熱、不進(jìn)行焊后熱處理，低溫環(huán)境下焊接，埋下焊接裂紋的隱患。

3 分析討論

(1)12Cr1MoV鋼焊接性能良好，焊接工藝成熟，但在一定條件下仍存在較大的焊接裂紋傾向。由于12Cr1MoVG鋼碳當(dāng)量較大，淬硬傾向較大，焊接工藝不當(dāng)會導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生[20-23]。12Cr1MoVG鋼含有Mn、Mo、V，熱裂紋傾向較小，但在焊接工藝不當(dāng)，采用高熱輸入焊接方法或采用大線能量焊接高拘束度接頭時(shí)，在焊接接頭中也會出現(xiàn)各種形式的熱裂紋[24-25]。

(2)依據(jù)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》(DL/T869-2012 )12Cr1MoV鋼管焊接，壁厚6mm以上采取預(yù)熱、緩冷措施，8mm以上進(jìn)行焊后熱處理，焊接工藝控制得當(dāng)，不會產(chǎn)生焊接裂紋。若焊接工藝控制不當(dāng)，開裂水冷壁管按最小壁厚5.8mm供貨，實(shí)際壁厚大于6mm，現(xiàn)場焊接依據(jù)的焊接工藝評定是不預(yù)熱的工藝，現(xiàn)場實(shí)際焊接僅考慮最小壁厚，未考慮實(shí)際壁厚及地處西北寒冷地區(qū)的氣候條件，焊接時(shí)未采取預(yù)熱、緩冷措施，冷卻速度過快，埋下焊接冷裂紋隱患。如果焊接熱輸入過大，層間溫度過高，也易產(chǎn)生熱裂紋。

(3)水冷壁管徑厚比小、曲率大，焊接過程中接頭部位的升降溫速度都比較快，操作不當(dāng)，接頭部位溫度場分布不均勻，會產(chǎn)生不均勻的膨脹與收縮，焊接接頭的應(yīng)力水平高。焊前不預(yù)熱、層間溫度保持不好，焊接過程中冷卻速度過快，焊縫易出現(xiàn)淬硬馬氏體組織，尤其打底層的焊接應(yīng)力較大，易先發(fā)生開裂。理化檢查發(fā)現(xiàn)裂紋大多出現(xiàn)在打底層，且焊縫局部存在馬氏體組織，焊縫硬度值偏高，實(shí)際焊接施工過程未采取預(yù)熱與此對應(yīng)。焊接熱輸入過大、層間溫度保持不好，焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)狀組織，微觀下為高溫孔穴開裂，弱化晶界，增加了焊縫脆性，降低焊縫的抗沖擊能力，水冷壁焊縫開裂泄漏多發(fā)生在機(jī)組甩負(fù)荷過程，與此有一定關(guān)系。

4 采取措施

(1)水冷壁焊縫發(fā)現(xiàn)橫向開裂后，現(xiàn)場擴(kuò)大排查采用射線垂直透照檢測，裂紋檢出率提高。抽取部分焊縫環(huán)切理化檢驗(yàn)，裂紋多發(fā)部位優(yōu)先檢查，裂紋檢出比例過大區(qū)域，全部進(jìn)行返口。

(2)修正了焊接工藝，返修口全部采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷、嚴(yán)控層間溫度。發(fā)現(xiàn)前期火焰預(yù)熱效果較差，返修質(zhì)量無法保證的情況，及時(shí)修訂了工藝，采取電加熱。

(3)加強(qiáng)焊接過程監(jiān)督管控，監(jiān)理、技術(shù)監(jiān)督人員過程旁站監(jiān)督，規(guī)范了焊接操作，焊工嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，強(qiáng)化嚴(yán)控焊前預(yù)熱、層間溫度，控制定位焊、打底焊的質(zhì)量，小線能量焊接，注意層間清理和檢查，焊后緩冷，有效降低了焊接應(yīng)力，返修焊口質(zhì)量得到有效控制。

5 結(jié)論

(1)通過對水冷壁焊縫抽樣進(jìn)行宏觀檢查、微觀組織檢查、硬度測試、裂紋面微觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、焊接工藝調(diào)查分析，水冷壁焊縫橫向開裂是現(xiàn)場焊接操作盲從規(guī)程，未考慮管子以最小壁厚供貨，實(shí)際壁厚及北方寒冷地區(qū)環(huán)境條件，未采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷措施，層間溫度控制不好，焊接過程中產(chǎn)生裂紋，運(yùn)行過程中個(gè)別裂紋在焊接應(yīng)力、拘束應(yīng)力、熱應(yīng)力綜合作用下的失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生泄漏。

(2)在返修過程中，修正焊接工藝，建議采取電加熱預(yù)熱、保持層間溫度、緩冷措施，增加過程監(jiān)督管控要求后，缺陷率大大降低，焊接質(zhì)量得到保障，水冷壁管再未發(fā)生因返修焊口橫向開裂引發(fā)的泄漏停機(jī)。