電廠P91主蒸汽連接管裂紋原因分析及預(yù)防措施

李成超 張 勇 李 強(qiáng)

（泰安市特種設(shè)備檢驗研究院）

0 引言

近年來，國內(nèi)電力行業(yè)發(fā)展迅速，大容量、高參數(shù)機(jī)組已逐步成為火電行業(yè)的主力機(jī)組，為了提高火電廠的運行效率，提高蒸汽質(zhì)量，一些大型電力系統(tǒng)的高溫承壓部件都采用力學(xué)性能良好、耐受壓力、抗蠕變性能及抗高溫氧化的P91、P92等新型馬氏體鋼材料，但是由于焊接工藝及熱處理方式等原因?qū)е潞缚p金屬開裂，給電站鍋爐運行帶來極大的安全隱患，因此對P91材質(zhì)產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析及采取預(yù)防措施具有重要的意義[1]。

1 概述

某電廠一臺電站鍋爐型號為XD-150/9.8-M，蒸汽連接管材質(zhì)為P91，對其進(jìn)行內(nèi)部檢驗時，在集汽集箱入口前第一道環(huán)焊縫上部發(fā)現(xiàn)兩處微裂紋，一處長約18 mm，另一處長約8 mm。在首次進(jìn)行表面探傷檢測時并未發(fā)現(xiàn)裂紋，而對焊縫金屬表面進(jìn)行打磨處理后進(jìn)行金相檢測時，可通過目視檢測觀察到裂紋；進(jìn)一步對裂紋區(qū)域進(jìn)行金相檢測，就可見清晰的裂紋形貌；通過調(diào)整磁粉粒度和磁懸液濃度后進(jìn)行磁粉檢測也可發(fā)現(xiàn)清晰磁痕。

2 檢驗及檢測

2.1 目視檢測

目視檢測是指檢驗人員用肉眼對容器的結(jié)構(gòu)和內(nèi)、外表面狀態(tài)進(jìn)行檢測，通常在其他檢驗方法前進(jìn)行。目視檢測主要用于觀察材料、零件、部件、設(shè)備和焊接接頭等的表面狀態(tài)，配合面的對準(zhǔn)、變形程度或泄漏跡象等[2]。對集汽集箱入口前第一道環(huán)焊縫進(jìn)行整圈目視檢測后未發(fā)現(xiàn)相關(guān)顯示，在進(jìn)行金相檢測前，粗磨后隨即發(fā)現(xiàn)了裂紋形態(tài)，進(jìn)一步精磨后，焊縫表面2處微裂紋清晰可見，如圖1所示。裂紋形態(tài)呈輻射狀且寬度較窄，一般深度不超過2 mm,但是在打磨至與母材平齊后仍存在裂紋，由于該鍋爐運行時間較長，微裂紋在使用過程中來斷拓展和向下延伸。

圖1 主蒸汽連接管兩處裂紋宏觀形貌

2.2 磁粉檢測

磁粉檢測是檢測裂紋的常用方法，主要應(yīng)用于鐵磁性材料的表面及近表面尺寸較小、間隙極窄的缺陷檢測。在常規(guī)無損檢測方法中，對于表面裂紋檢測靈敏度較高的方法是磁粉檢測。

集汽集箱入口前第一道環(huán)焊縫在完成目視檢測后，首次進(jìn)行磁粉檢測后并未出現(xiàn)相關(guān)顯示；對P91材質(zhì)焊縫進(jìn)行金相檢測項目時發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在及其細(xì)微的裂紋缺陷，因此提高了裂紋區(qū)域的打磨精度，同時調(diào)整磁粉粒度和磁懸液濃度后，發(fā)現(xiàn)了明顯磁痕，兩處磁痕均顯示為放射狀。

2.3 金相檢測

磁粉檢測完成后對集汽集箱入口前第一道環(huán)焊縫進(jìn)行了粗磨處理，打磨過程中可見細(xì)微裂紋，精磨處理后可見清晰的裂紋形態(tài)。對裂紋區(qū)域進(jìn)行金相檢測，結(jié)果如圖2所示。該裂紋呈輻射狀，并且由外向內(nèi)逐漸變細(xì)，裂紋尖端較為尖銳，通過裂紋的微觀形貌判斷其符合應(yīng)力腐蝕裂紋形態(tài)特征[3]。

圖2 主蒸汽連接管裂紋顯微形貌

2.4 光譜分析

發(fā)現(xiàn)裂紋后，對焊縫材質(zhì)進(jìn)行了光譜分析，焊縫主要元素及含量如表1所示。檢測結(jié)果符合ASME SA 335/SA 335M 標(biāo)準(zhǔn)對P91材質(zhì)的要求。

表1 焊縫光譜分析主要元素及含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.5 硬度檢測

對裂紋區(qū)域進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果顯示，焊縫金屬硬度平均值為278 HB，略高于熱處理后硬度小于250 HB的要求。

3 原因分析及預(yù)防措施

3.1 母材影響

P91材質(zhì)含有較多的合金元素（如釩、鎳等），其結(jié)構(gòu)為空冷馬氏體組織，淬硬傾向大，其焊縫中的高應(yīng)力馬氏體在潮濕環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂[4]。因此焊接后將焊道預(yù)告及時清除并使其圓滑過渡，盡量縮短焊接接頭焊后至熱處理的存放時間，且必須使部件保持干燥，避免其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3.2 淬硬傾向的影響

通過對裂紋區(qū)域進(jìn)行硬度檢測后發(fā)現(xiàn)，裂紋區(qū)域比周圍材料的硬度更高，且高于熱處理后硬度小于250 HB的指標(biāo)，較高的硬度容易使材料在氫及殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋；焊接時線能量太小、冷卻速度過快及預(yù)熱溫度過低均會造成裂紋區(qū)域具有較大的淬硬傾向。因此在焊接前進(jìn)行預(yù)熱、后熱可以降低焊接后的冷卻速率并延長冷卻時間，氫可以充分釋放，從而減少焊縫中氫的含量，減小焊縫中出現(xiàn)淬硬組織的可能性，從而防止裂紋產(chǎn)生。

3.3 殘余應(yīng)力的影響

焊接接頭附近焊接殘余應(yīng)力過大，板材自身內(nèi)應(yīng)力隨著厚度增加而變大，過大的內(nèi)應(yīng)力是焊縫金屬開裂的重要原因。硬度檢測值偏高說明焊縫熱處理工藝不符合要求，導(dǎo)致焊縫金屬殘余應(yīng)力沒有及時釋放，殘余應(yīng)力過大使焊縫金屬開裂。因此，焊接完成后應(yīng)按照正確的熱處理工藝及時進(jìn)行焊后熱處理，并選擇合理的焊接順序，減少材料焊接變形，消除焊接應(yīng)力，降低約束應(yīng)力，避免焊縫出現(xiàn)裂紋。

3.4 氫的影響

通過安裝資料發(fā)現(xiàn)，P91材質(zhì)焊縫焊接時正值雨季，焊接材料潮濕，施工環(huán)境濕度大，未對焊縫表面油污、鐵銹等臟污進(jìn)行清潔等原因都會導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生氫，引起焊縫氫脆開裂。因此焊材在使用前應(yīng)嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行烘干和使用，并嚴(yán)格控制施焊環(huán)境的溫度、濕度；嚴(yán)格做好焊前準(zhǔn)備工作，焊前對焊縫區(qū)域的油污、銹渣等進(jìn)行清理，有效控制有害成分對焊接過程的影響。

4 結(jié)論

對P91材質(zhì)焊接接頭進(jìn)行檢驗時，由于裂紋較為微細(xì)，優(yōu)化無損檢測的檢測工藝可以提高缺陷的檢出率，適當(dāng)增加檢驗項目可有效分析得到P91材質(zhì)焊接產(chǎn)生裂紋的原因，預(yù)防焊縫產(chǎn)生裂紋。