某660 MW超臨界鍋爐高溫再熱器爆管分析

秦曉佳, 梁 皓, 程海飛, 方振邦, 秦 孜

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心, 安徽 合肥 230022； 2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230051； 3.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 安徽 合肥 230601； 4.安徽皖信人力資源管理有限公司, 安徽 合肥 230061； 5.國網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司, 安徽 合肥 230000)

0 引言

12Cr1MoVG鋼屬鉻鉬系低合金珠光體耐熱鋼，其焊接性良好，在580 ℃以下具有良好的耐蝕性。電站鍋爐的過熱器、再熱器、蒸汽管道等高溫部件常使用該鋼材，它也是我國汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、石油化工等領(lǐng)域使用最廣泛的珠光體耐熱鋼之一[1,2]。

近年來，國內(nèi)電廠發(fā)生了多起12Cr1MoVG鋼焊接接頭在焊后熱處理時(shí)或短期高溫運(yùn)行后開裂、泄漏事故，為找尋此類焊接接頭開裂的本質(zhì)原因，預(yù)防該類事故的再次發(fā)生，本文以某電廠660 MW超臨界機(jī)組高溫再熱器爆管泄漏事故為例，對(duì)泄漏管焊接接頭進(jìn)行開裂失效分析，經(jīng)檢查泄漏管位置為出口集箱從左往右第9排，從前往后第1根短管焊接接頭位置，開裂管焊口為同種鋼焊接，材質(zhì)為12Cr1MoVG，尺寸為φ51 mm×4.5 mm，管道運(yùn)行最高溫度為550 ℃，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為5 000 h。為進(jìn)一步規(guī)范12Cr1MoVG鋼的焊接工藝提供參考。

1 檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

泄露管樣焊接接頭宏觀形貌如圖1所示，泄露位置位于同種鋼對(duì)接焊縫處，斷裂區(qū)域內(nèi)無明顯塑性變形，開裂邊緣即管樣的外壁側(cè)有剪切唇特征，具體開裂位于焊接接頭熔合線附近，裂紋沿焊縫一側(cè)焊趾延伸擴(kuò)展，泄露管樣無脹粗、塑性變形和機(jī)械損傷特征。據(jù)此推算此次泄露爆管，裂紋由管樣內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，為脆性斷口。

圖1 爆管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在爆管直段部位截取光譜分析試樣，使用砂紙對(duì)試樣進(jìn)行磨光處理后，在SPECTRO TEST全定量光譜儀上進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，其中S、Cr和Cu元素超過標(biāo)準(zhǔn)上限，其余元素未見異常。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 單位：wt%

1.3 金相檢驗(yàn)

依據(jù)DL/T 884-2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)管樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，在泄露管樣焊縫兩側(cè)截取試樣，采用4%的硝酸酒精溶液腐蝕經(jīng)磨制、拋光后的試樣，置于蔡司倒置式金相顯微鏡下觀察其顯微組織，圖2所示為斷裂兩側(cè)焊接接頭的整體形貌，開裂位置為焊縫熔合線位置，在開裂位置觀測(cè)到小塊金屬缺失，推測(cè)紅圈位置其為裂紋起始位置，隨著開裂過程不斷加劇，導(dǎo)致裂紋沿著金屬脆弱部位不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生管樣斷裂。

圖2 焊接接頭整體形貌12.5×

圖3(a)為斷口位置形貌，可見裂紋由內(nèi)壁向外壁延伸擴(kuò)展，裂紋呈沿晶開裂形態(tài)。斷裂起裂于熔合線附近，組織中存在魏氏組織和大量碳化物，因而塑韌性差，易產(chǎn)生焊接裂紋，斷裂邊緣有明顯的氧化物，相關(guān)研究表明氧化層產(chǎn)生的溫度區(qū)間為500～700 ℃[3]，說明管樣運(yùn)行處于再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間。圖3(b)為焊縫金相組織，組織為鐵素體、貝氏體和部分魏氏組織，晶粒粗大，組織中存在分布不均的碳化物和魏氏組織，硬度高，塑韌性差。圖3(c)為熱影響區(qū)金相組織，組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體，珠光體數(shù)量明顯減少，且珠光體特征不明顯。圖3(d)為母材的金相組織，組織均為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域完整，僅有少許珠光體組織開始分散，晶界有少量碳化物，球化等級(jí)評(píng)為1.5級(jí)，沒有產(chǎn)生組織老化現(xiàn)象，說明未超溫運(yùn)行。

(a)斷口位置100× (b)焊縫50×

(c)熱影響區(qū)100× (d)母材50×

1.4 力學(xué)性能檢測(cè)

1.4.1 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對(duì)爆管下部沿縱向截取2個(gè)拉伸試樣，測(cè)得試樣拉伸性能數(shù)據(jù)見表2。兩個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度和伸長率都低于標(biāo)準(zhǔn)值，說明該管材塑韌性低。

表2 拉伸檢測(cè)結(jié)果

1.4.2 硬度檢測(cè)

采用布氏硬度計(jì)，在金相樣品表面進(jìn)行硬度試驗(yàn)，檢測(cè)區(qū)域選擇基體組織完整、無孔洞和裂紋區(qū)域，檢測(cè)方法依據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

DL/T 869規(guī)定焊縫硬度不超過母材布什硬度+100HBW，且布什硬度不大于270HBW，測(cè)試結(jié)果表明，母材硬度正常，斷裂區(qū)域和焊縫區(qū)域硬度偏高，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫硬度偏高必然導(dǎo)致塑性、韌性下降，導(dǎo)致脆性斷裂[4]。表明該區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力，推測(cè)焊接過程中熱輸量過大，使得焊縫及斷裂區(qū)域硬度值升高。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

2 原因分析

12Cr1MoVG含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素，而且其碳含量處于再熱裂紋形成的敏感成分范圍內(nèi)，這就導(dǎo)致了這種材料具有較強(qiáng)的再熱裂紋敏感性，其再熱裂紋敏感溫度區(qū)間為500～700 ℃，也就是說焊后焊件在再熱裂紋敏感溫度區(qū)間內(nèi)再次加熱，易形成再熱裂紋而導(dǎo)致開裂[5,6]。

本次金相檢驗(yàn)顯示母材的組織正常，未出現(xiàn)老化現(xiàn)象，說明機(jī)組未超溫運(yùn)行，而焊縫和熔合區(qū)焊縫組織不均勻，晶粒粗大，碳化物不均勻的聚集長大在晶粒和晶內(nèi)，且存在含有魏氏組織，這樣的組織塑性、韌性差，容易引起焊接裂紋和脆性斷裂。而且焊縫余高的存在使得焊縫與母材交接處焊趾位置易存在高度應(yīng)力集中，為再熱裂紋的形成提供了應(yīng)力條件；再熱器的運(yùn)行溫度545 ℃左右，處于產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間，為再熱裂紋的形成提供了溫度條件。因此隨著不斷的高溫運(yùn)行及拘束應(yīng)力的影響，產(chǎn)生微裂紋，并擴(kuò)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致開裂。

3 結(jié)論與建議

(1)此次660 MW超臨界鍋爐高溫再熱器爆管原因?yàn)楹附咏宇^熔合區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋，裂紋沿著沿管道焊縫熔合區(qū)沿晶擴(kuò)展，其組織特征為粗大的過熱組織和少量魏氏組織，塑性、韌性差，易產(chǎn)生焊接裂紋和脆性斷裂。由于接頭位置存在拘束應(yīng)力，在高溫運(yùn)行后，焊縫熔合區(qū)發(fā)生再熱劣化，產(chǎn)生細(xì)小的微裂紋，逐步擴(kuò)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致再熱器管開裂。

(2)針對(duì)此次高溫再熱器失效原因，應(yīng)加強(qiáng)12Cr1MoVG的焊接質(zhì)量管理工作，焊接工藝中加快焊接速度，減小焊接熱輸入量，避免焊接熱輸量過大。同時(shí)提高焊接電壓，降低焊接電流，以增大焊接接頭的成形系數(shù)，預(yù)防12Cr1MoVG鋼焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋。