1 000 MW超超臨界塔式鍋爐T23鋼管焊接接頭裂紋分析

鐘飛，張春雷

(廣東電網公司電力科學研究院，廣州市，510080)

0 引言

SA213-T23鋼是在T22等級鋼的基礎上，通過加入鎢(1.6%)，減少鉬(0.20%)和含碳量(0.04% ～0.10%)，并加入少量的釩、鈮、氮和硼而改型成T23等級鋼［1-4］。T23鋼正火、回火后的組織為回火貝氏體－馬氏體，600℃時具有優良的熱強性、抗氧化性且無脆化的危險，焊接性能良好，主要應用于壁溫不超過600℃的受熱面管子［5］。小口徑薄壁管宜采用鎢極氬弧焊進行焊接，焊絲采用Union I P23，一般可不進行焊前預熱和焊后熱處理［6-7］。

廣東某電廠于2008年開始投資建設了2×1 000 MW超超臨界機組，其鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的3 091 t/h超超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐。由于鍋爐運行參數的提高，鍋爐38 m以上的螺旋段、垂直段水冷壁管及一級過熱器的懸吊管均使用T23鋼管，規格分別為 φ38.1 mm×6.8 mm、φ44.5 mm×7.3 mm 和 φ49.3 mm ×11 mm。在機組整組啟動、熱態調試過程中，T23鋼管安裝焊縫頻繁發生泄漏［8-10］。本文通過對T23鋼管焊接接頭材料性能分析及泄漏試樣的試驗研究，找出T23鋼管焊接接頭泄漏的原因，為以后類似機組的安裝、調試、運行提供一些參考經驗。

1 SA213-T23鋼管滲漏原因分析

滲漏的水冷壁管規格為φ38.1 mm×6.8 mm，材質為T23鋼，如圖1所示。其中一根管上標示1號角右54 m，編為1號管;另一根管上標示爐后46 m，編為2號管。2根管均帶有一個同種鋼焊縫和兩側的鰭片焊縫，采用手工氬弧焊，火焰預熱溫度為150～200℃，焊絲牌號 TGS－2CW，“V”形坡口，焊后不熱處理。管子在焊后水壓試驗時發生泄漏。

圖1 2根開裂的水冷壁管宏觀照片Fig.1 Macro photos of two crack tubes in water-wall

1.1 裂紋的宏觀檢查

將1號管開裂處的焊縫切割下來，如圖2所示。

圖2 1號水冷壁管開裂處的宏觀照片Fig.2 Macro photos of crack in No.1 water-wall

從圖2可以看出:(1)管上的裂紋位于焊縫熔合線附近，裂紋較細，沿周向擴展，長度為20 mm左右。(2)管的裂紋處無明顯塑性變形和氧化現象。

為了分析水冷壁管開裂原因，將從1號管切割下的焊縫接頭(圖2)在裂紋側打磨和拋光，并用硝酸、酒精浸蝕，浸蝕后1號管開裂處的宏觀照片如圖3所示。

圖3 1號水冷壁表面裂紋在打磨浸蝕后的宏觀照片Fig.3 Macro photos of crack surface in No.1 water-wall after polished and eroded

為便于微觀金相分析的標識，圖3中用A1、B1、C1、D1、E1分別表示1號管的裂紋側基體、裂紋側熱影響區、焊縫、焊縫另一側熱影響區和另一側基體。

1.2 裂紋的微觀組織試驗

1號管裂紋2個尖端處的低倍形貌如圖4所示，高倍金相組織如圖5所示，焊縫兩側基體以及焊縫的金相組織分別如圖6、7所示。

從圖4、5可以看出，1號管裂紋出現在焊縫的熱影響區靠近熔合線附近，裂紋的一端沿熔合線擴展［圖4(a)］，另一端向熱影響區擴展［圖4(b)］。裂紋有穿晶擴展［圖5(a)］，也有沿晶擴展［圖5(b)］。2個尖端的裂紋均呈現不連續的特征。圖4(a)、5(a)中，裂紋較寬處均與熔合線和熱影響區的粗晶區有關。

由圖6、7可以看出，1號管焊縫兩側基體及焊縫區的金相組織均為貝氏體。

2號管裂紋2個尖端處的低倍形貌、高倍金相組織、裂紋側熱影響區、焊縫兩側基體的金相組織均與1號管類似。2號管裂紋出現的位置與1號管裂紋出現的位置相似，也出現在焊縫的熱影響區靠近熔合線內或附近，裂紋的一端沿熔合線擴展至焊縫內，另一端沿熔合線擴展。

裂紋主要是沿晶界擴展，但也有局部穿晶擴展。2根管裂紋附近區域的金相組織特征:裂紋側基體為貝氏體，裂紋側熱影響區為細小貝氏體，裂紋側熔合線為粗大貝氏體，焊縫為粗大貝氏體，另一側基體為貝氏體。

1.3 綜合分析

以上通過對1、2號管焊縫附近裂紋的宏觀和微觀觀察，可以看出:

(1)2根管上的裂紋均出現在焊縫熔合線附近區域內，管子在裂紋處無明顯塑性變形和氧化現象，金相組織無異常，管子在開裂處無過熱現象發生。這表明焊接熱輸入對焊接接頭的金相組織沒有造成不良影響。

(2)2根管的裂紋擴展方式既有沿晶擴展也有穿晶擴展，2根管裂紋尖端均呈現出不連續的特征，這說明裂紋尖端不連續微裂紋的形成與主裂紋的擴展沒有直接關系，也就是說尖端微裂紋和主裂紋均是在外力作用下同時形成的。析出的沉淀相造成的晶界弱化和微合金元素造成的晶粒內強化是T23鋼產生冷裂紋的次要因素，焊接殘余應力和焊接結構本身的拘束應力是冷裂紋萌生和擴展的主導因素。

(3)該類水冷壁管子都處于施工過程中臨時吊裝點區域。由于該電廠在運行和基建過程發現施工過程中的臨時吊裝點焊縫存在許多裂紋，還導致多次失效開裂，因此，該電廠在水冷壁管屏臨時吊裝點區域切割出400 mm×400 mm的窗口，更換該窗口內的水冷壁管，更換后重新進行焊接。由于窗口內的水冷壁管都是在剛性狀態下焊接，焊接接頭具有很大的拘束應力。

(4)通過對2根管子裂紋位置的仔細觀察發現，2根管子的裂紋均位于水冷壁管鰭片焊縫(縱向焊縫)與水冷壁周向焊縫(橫向焊縫)交錯的一側，結構自身拘束應力較大，鰭片焊縫的存在增大了焊接拘束應力，使焊接接頭處于復雜的三向應力狀態。圖2所示是1號管裂紋的宏觀位置，2號管裂紋的位置與1號管的位置基本相同。焊縫交錯導致焊接殘余應力的疊加，該區域容易形成裂紋。

2 裂紋的防止措施

冷裂紋的產生主要與鋼材淬硬組織、焊接接頭的含氫量及其分布、焊接接頭的拘束應力有關［11］。材料中的空位在應力的作用下發生聚集，產生應力集中，形成萌生的微裂紋。裂紋的擴展則與塑性有關。冷裂紋的防止措施主要包括:(1)冶金措施。選用優質的低氫焊接材料，焊前對焊條充分烘干，對坡口附近的銹和油污仔細清理。(2)工藝措施。焊前預熱，焊后緩冷，焊道表面錘擊。焊接操作盡量多層多道焊，避免各種工藝缺陷，并對焊趾處作適當修磨處理，以降低應力集中程度和啟裂源。(3)降低焊接接頭的內拘束應力(熱應力、組織應力)和外拘束應力。坡口的形狀以對稱為宜，避免單邊開半V形坡口。在較長的剛性梁連接板上，每間隔300～400 mm距離開應力釋放槽以釋放焊接應力。對于拘束度較大的焊接結構，焊后宜進行熱處理，熱處理溫度為730～760℃。

3 結論

1號、2號管焊縫附近裂紋的形成原因主要是由焊接殘余應力和焊接結構本身的拘束應力共同作用造成的。焊接殘余應力來自焊接時交錯焊縫所受的束縛以及管子熱脹冷縮的不均勻性。拘束應力則來自焊接結構本身的剛性約束。在2種應力共同作用下，焊縫接頭中最薄弱的熔合線就較易成為裂紋的起源處，當這種疊加應力大于管子熔合線處的強度時即導致裂紋的產生與擴展。

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