12Cr1MoVG鋼高壓蒸汽管道對接接頭開裂原因

章芳芳, 應(yīng)陳鍇, 胡建勝, 閻江濤

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院, 杭州 310020；2.嘉興新嘉愛斯熱電有限公司, 嘉興 314016)

某公司1號鍋爐汽機(jī)側(cè)管道在全面檢驗期間，超聲檢測時發(fā)現(xiàn)其中主蒸汽管道的多條對接焊縫中存在橫向裂紋，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運行。該管道服役年限為12 a，材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為273 mm×20 mm(外徑×壁厚)，工作壓力為9.8 MPa，運行溫度為540 ℃。焊接方法采用鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充和蓋面。打底使用TIG-G31焊絲，填充和蓋面使用R317焊條。焊接預(yù)熱溫度為200～300 ℃，焊后熱處理溫度為720～760 ℃。為查明該管道焊縫中裂紋產(chǎn)生的原因，筆者對其進(jìn)行了理化檢驗及分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

主蒸汽管道裂紋處宏觀形貌如圖1所示，由圖1可以看出：整個壁厚方向上均有裂紋產(chǎn)生。將焊縫余高打磨平整后,發(fā)現(xiàn)裂紋分布于熱影響區(qū)和焊縫中，且不連續(xù)。

圖1 主蒸汽管道裂紋處宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用ARL4460型直讀光譜儀分別對根層焊縫、焊縫表面和兩側(cè)母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：根層焊縫中的Si，Mn元素含量低于DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求，焊縫表面的化學(xué)成分符合DL/T 869—2012的要求，母材的化學(xué)成分符合GB/T 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG鋼的要求。

表1 焊縫及母材的化學(xué)成分 %

1.3 力學(xué)性能測試

分別在母材和對接接頭處取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果表明母材和對接接頭的力學(xué)性能分別符合GB/T 5310—2008和DL/T 869—2012的要求(見表2)。

表2 母材和焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果

1.4 硬度測試

對焊縫處、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：母材硬度高于GB/T 5310-2008的要求，焊縫、熱影響區(qū)的硬度符合DL/T 869-2012的要求。

表3 硬度測試結(jié)果 HV

1.5 金相檢驗

對焊縫處進(jìn)行金相檢驗,焊縫處的顯微組織為貝氏體+網(wǎng)狀鐵素體，未見明顯老化(見圖2)。裂紋起始于粗晶區(qū)，終止于細(xì)晶區(qū)，沿晶開裂，部分裂紋沿鐵素體與貝氏體的界面擴(kuò)展，裂紋內(nèi)部形成了氧化層(見圖3)。

圖2 焊縫處顯微組織形貌

圖3 裂紋處SEM形貌

1.6 掃描電鏡分析

對裂紋處進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，可見裂紋尖端有連續(xù)密集的孔洞分布在晶界上，孔洞進(jìn)一步發(fā)展成了沿晶的微裂紋(見圖4)。

圖4 裂紋處SEM形貌

2 綜合分析

上述理化檢驗結(jié)果表明：母材和對接接頭的力學(xué)性能、硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；根層焊縫中的Mn，Si元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)DL/869—2012的要求，焊絲材料不合格。再熱裂紋敏感性評價的經(jīng)驗公式[1]如式(1)所示。

ΔG=wCr+3.3wMo+8.1wV-2

(1)

式中：ΔG為再熱裂紋敏感指數(shù)；wCr為Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wMo為Mo元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wV為V元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

根據(jù)式(1)計算得，根層焊縫的ΔG=2.53，焊縫表面的ΔG=2.41，均大于0，說明該焊縫容易產(chǎn)生再熱裂紋。

由于焊接工藝參數(shù)控制不當(dāng)，焊縫的顯微組織較差，產(chǎn)生了網(wǎng)狀鐵素體，割裂了組織間的聯(lián)系，降低了整體的塑性和韌性。SEM分析結(jié)果表明：晶界上產(chǎn)生了孔洞，孔洞相互串聯(lián)形成微裂紋，微裂紋逐漸長大、擴(kuò)展、相互連接，最終形成宏觀裂紋。該管在焊接過程及服役期間，焊縫表面形成粗晶區(qū)，強(qiáng)度和塑性降低，加上網(wǎng)狀鐵素體導(dǎo)致的晶界弱化，在晶界上容易產(chǎn)生孔洞，且粗晶區(qū)通常會產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源。萌生裂紋由粗晶區(qū)向細(xì)晶區(qū)沿晶擴(kuò)展，在細(xì)晶區(qū)終止，整體符合再熱裂紋的特征。

12Cr1MoVG鋼存在一定的再熱裂紋傾向，尤其在500～700 ℃最為敏感，而管道的運行溫度正處于該區(qū)間內(nèi)，從而使得其發(fā)生再熱裂紋的傾向加大[2-3]，晶粒粗化也會加大再熱裂紋的產(chǎn)生[4]。

3 結(jié)論

由于主蒸汽管道焊接材料中含有促使形成再熱裂紋的沉淀強(qiáng)化元素，在焊接工藝參數(shù)控制不當(dāng)、長期處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間工作和熱應(yīng)力等因素的綜合作用下，產(chǎn)生了再熱裂紋，最終導(dǎo)致管道開裂。