主蒸汽壓力取樣管焊接接頭開裂原因

王 飛, 楊 超, 吳增祎, 張敏杰, 倪杰凱, 楊慶旭

(1.江蘇鎮(zhèn)江燃?xì)鉄犭娪邢薰? 鎮(zhèn)江 212028；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 南京 211102)

某火力發(fā)電廠機(jī)爐外管布置位置異常，一旦發(fā)生突然性爆破容易導(dǎo)致人員傷亡，故其運行安全十分重要。其中對于直徑小于89 mm的管道，原則上要求走向布置，保證支吊時該管道能吸收與其相連管道產(chǎn)生的熱位移。某些安裝單位的技術(shù)水平不足或重視程度不夠，導(dǎo)致這類管道常出現(xiàn)支吊架布置不合適，管道走向未考慮熱位移以及安裝、焊接質(zhì)量不高的情況。

某火電廠2號機(jī)組主蒸汽壓力取樣管管座側(cè)第一個焊接接頭在運行過程中發(fā)生開裂泄漏。主蒸汽管道的工作溫度為567 ℃，工作壓力為14.59 MPa，壓力取樣管的材料為T91鋼，規(guī)格為16 mm×3 mm(外徑×壁厚)，事故發(fā)生于機(jī)組投產(chǎn)前168 h試運過程中的約第78 h，該取樣管共3根，開裂的焊接接頭位于中間的一根管上，開裂焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗以及管系檢查分析等方法，對該焊接接頭的開裂原因進(jìn)行了分析，以減少機(jī)組非計劃停運的次數(shù)和時間，提高設(shè)備運行的可靠性。

圖1 開裂焊接接頭的宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

截取該開裂焊接接頭斷口處進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：開裂處位于管座側(cè)焊縫位置，裂紋穿透管子，該處存在環(huán)向裂紋，裂紋長度約為15 mm；起裂點位于內(nèi)壁熔合線旁的熱影響區(qū)，開裂面接近垂直于管子軸線，開裂處無明顯的塑性變形，斷口表面平齊，斷口附近沒有頸縮現(xiàn)象，邊緣沒有剪切唇，呈脆性斷裂特征[1]；管子安裝對口時存在折口情況，角變形偏差α為4.3 mm，超出了DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求(α≤2 mm)；焊縫外表面成形良好，根部整體凸出，最大凸出高度約為2 mm，已達(dá)DL/T 869—2012的上限(2 mm)。檢查該焊接接頭射線檢測底片，未發(fā)現(xiàn)缺陷，依據(jù)DL/T 869—2012，對該焊接接頭的缺陷評級為一級，說明該焊接接頭經(jīng)熱處理后進(jìn)行射線檢測時，裂紋尚未產(chǎn)生或因尺寸小等原因未被發(fā)現(xiàn)，此后至開裂時機(jī)組累計運行時間不超過300 h。

圖2 開裂焊接接頭斷口處的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

使用ARL3460型直讀式光譜分析儀對開裂焊接接頭斷口處焊縫及母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見其化學(xué)成分均符合DL/T 821—2017《金屬熔化焊對接接頭射線檢測技術(shù)和質(zhì)量分級》的要求。

表1 開裂焊接接頭斷口處焊縫及母材的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

在開裂焊接接頭處取樣，依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分 試驗方法》，使用VH-50AC型顯微硬度計對斷口處的焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行硬度測試，載荷為98.1 N，加載時間為10 s，結(jié)果如表2所示。由表2可知,母材硬度正常,焊縫硬度大于DL/T 869—2021的要求。研究發(fā)現(xiàn)[2],隨著T91鋼小徑管焊縫硬度的升高，其沖擊吸收能量降低，當(dāng)焊縫硬度為340～370 HB時,其沖擊吸收能量為20～40 J/cm2，低于《T/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》的要求(41 J/cm2),焊接接頭脆性斷裂的傾向較大，由此可知斷口存在脆性斷裂的可能。

表2 斷口處焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度測試結(jié)果 HB

1.4 金相檢驗

在焊接接頭縱截面(徑向)處取樣，使用ZEISS Observer A1m型光學(xué)顯微鏡，按照DL/T 884-2019《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》對試樣進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：未開裂處熔合區(qū)域晶粒較粗大，位向明顯，母材為細(xì)晶?；鼗瘃R氏體組織；焊縫為馬氏體組織，無明顯回火跡象(幾乎無碳化物析出)，說明該焊接接頭未經(jīng)高溫回火處理或回火溫度、時間不足；開裂處可見裂紋無明顯分叉，主裂紋旁無二次開裂情況，因馬氏體晶界不明顯，故難以判斷是沿晶開裂還是穿晶開裂。

圖3 焊接接頭處顯微組織形貌

1.5 擴(kuò)大性檢查

對主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道上同類焊接接頭進(jìn)行了擴(kuò)大性檢查，發(fā)現(xiàn)普遍存在焊縫硬度高、顯微組織異常的情況。采用NEMESIS 9104型萬能硬度計測得該開裂焊接接頭相鄰的2根管上焊接接頭焊縫處的硬度分別為288，295 HB，母材硬度分別為219，232 HB，焊縫的顯微組織為未回火馬氏體+回火馬氏體(見圖4)。經(jīng)滲透檢測、射線檢測抽查后，未發(fā)現(xiàn)其他焊接接頭存在裂紋等缺陷，且后續(xù)運行過程中未再發(fā)生類似泄漏的情況。

圖4 相鄰2根管上焊接接頭焊縫處的顯微組織形貌

1.6 管系檢查

對取樣管走向布置、支吊情況進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)該處管系與其他位置有明顯不同，該處取樣管布置如圖5所示，取樣管y向水平段用管卡固定，x向水平段則隨主管道移動。附近的106#支架的熱位移為：Δx=0 mm，Δy=191 mm，Δz=0 mm，其中y向熱位移量很大。雖然取樣管的2個折彎能吸收部分熱膨脹量，但仍然會使x向水平段的熱位移受限，因此,開裂焊接接頭所處管系最遠(yuǎn)端的熱位移量最大。焊接接頭承受附加的彎曲載荷可能會超過其高溫抗拉強(qiáng)度極限，從而發(fā)生斷裂，這可以從焊接接頭在y向近半圈開裂得到驗證。取樣管和支吊架的布置不能承受母管和支管的熱位移，造成二次應(yīng)力超標(biāo)且接頭焊縫處的應(yīng)力最大，說明這種熱位移受阻的情況存在一定的普遍性[3]。

圖5 取樣管布置示意

2 綜合分析

該裂紋產(chǎn)生于機(jī)組未正式投產(chǎn)之際，因此可以排除材料因蠕變而產(chǎn)生裂紋，則裂紋可能是熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋[4]中的一種，又因裂紋發(fā)生于焊后且開裂于熱影響區(qū)，故可基本排除熱裂紋的可能。T91鋼完全在再熱裂紋敏感區(qū)外，對焊接接頭再熱裂紋不敏感，這可能與MoC消失有關(guān)[5]。冷裂紋(延遲裂紋)形成的3個影響因素為：鋼材的淬硬傾向、焊接接頭的氫元素含量及其分布、焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)[4]。該開裂焊接接頭存在未回火的馬氏體組織，淬硬傾向大，焊接接頭存在折口、熱膨脹受阻、焊接殘余應(yīng)力未消除等情況，有較大的內(nèi)應(yīng)力，且焊接接頭位于小頭側(cè)，根部凸出較高，存在應(yīng)力集中情況，其延遲脆斷的特征符合氫致裂紋的特點，因此該裂紋極可能是冷裂紋。

為防止該類裂紋再次出現(xiàn)，采取的對策為：① 保證其焊后熱處理溫度、時間達(dá)到工藝要求，使處理后的焊縫得到回火馬氏體或回火索氏體組織，且硬度符合DL/T 869—2012的要求；② 焊接接頭采用氬弧焊打底時，使內(nèi)、外焊縫表面均與母材圓滑過渡，并避免折口超標(biāo)等情況；③ 將裂口所在管及附近2根管上的固定管卡松開，使其能在熱態(tài)下隨母管自由滑動；④ 采取焊前預(yù)熱等措施,以減少在焊接接頭中自由擴(kuò)散并局部聚集的氫原子或氫離子。

3 結(jié)論及建議

該壓力取樣管焊接接頭的開裂符合冷裂紋(延遲裂紋)特征，其形成原因與焊接接頭中存在未回火的馬氏體、管子膨脹受阻產(chǎn)生的附加應(yīng)力等應(yīng)力集中有關(guān)。

為避免類似開裂情況再次出現(xiàn)，需執(zhí)行正確的焊接及熱處理工藝，以得到合格的顯微組織及適宜的硬度，并合理安排支吊架的狀態(tài)，減少應(yīng)力集中，使焊接接頭的受力不超過其許用應(yīng)力。