低溫再熱器異種鋼焊接接頭開裂原因分析

中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 徐光明 楊喜勝 華能汕頭電廠 林志福蘇州熱工研究院有限公司 彭學(xué)文

1 機(jī)組概況

某電廠2號(hào)機(jī)組鍋爐型號(hào)為S G-3093/27.46-M533，是上海電氣集團(tuán)上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的1000MW超超臨界參數(shù)直流鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量3093t/h，過熱器出口額度蒸汽壓力27.46MPa，過熱器出口額定蒸汽溫度605℃，再熱器出口額定蒸汽壓力5.85MPa，再熱器出口額定蒸汽溫度603℃。

2014年9月26日，2號(hào)機(jī)組鍋爐運(yùn)行中發(fā)生泄漏，泄漏報(bào)警位置在低溫再熱器出口集箱附近。經(jīng)停爐檢查，發(fā)現(xiàn)爐后側(cè)低溫再熱器左數(shù)第10屏爐前向后數(shù)第2根管子與出口集箱管座對(duì)接接頭處開裂。圖1為開裂位置割管取樣實(shí)物照片。

圖1 低溫再熱器焊接接頭開裂

圖2 表面裂紋長度測(cè)量

2 資料查閱

2號(hào)機(jī)組鍋爐于2010年至2011年安裝，2011年4月投入運(yùn)行。截止至2014年9月26日，累計(jì)運(yùn)行約2.2萬小時(shí)。2012年2月累計(jì)運(yùn)行約為6000小時(shí)，對(duì)該鍋爐進(jìn)行了首次內(nèi)部檢驗(yàn)，低溫再熱器系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。在同年12月進(jìn)行的鍋爐外部檢驗(yàn)過程中，也未發(fā)現(xiàn)有低溫再熱器出口集箱附近的蒸汽泄漏情況。

該焊縫為鍋爐廠制造異種鋼焊接接頭，其坡口型式為V型，采用GTAW全位置焊接方式，管側(cè)材質(zhì)為12Cr1MoVG，管座側(cè)材質(zhì)為SA-213T91，規(guī)格均為Φ63.5×4.5mm，設(shè)計(jì)壓力5MPa，設(shè)計(jì)蒸汽溫度為500℃。

對(duì)于12Cr1MoVG/T91焊接材料的選擇，國外傾向采用高匹配，國內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦采用低匹配[1-2]，實(shí)際上國內(nèi)鍋爐廠制造時(shí)采用高匹配較多，而國內(nèi)安裝現(xiàn)場(chǎng)采用低匹配較多，一般都能滿足其性能要求，但有其各自特點(diǎn)[3-4]。

3 試驗(yàn)與分析

為分析泄漏原因，特取該開裂焊口及其管側(cè)200mm母材作為分析用樣管，并進(jìn)行下列試驗(yàn)。

3.1 宏觀及尺寸測(cè)量

經(jīng)測(cè)量，樣管母材外徑為63.8mm，壁厚為4.6mm，表面可見裂紋的長度約150mm，見圖2。從圖1、圖2可以看出，裂紋位置位于焊接接頭管側(cè)熔合線附近，焊縫成形外觀良好，焊縫寬度8～10mm，焊縫余高約2mm。

3.2 化學(xué)成分測(cè)試

對(duì)樣管母材及焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1和表2。

從表1樣管母材化學(xué)成分分析結(jié)果可見，樣管管側(cè)母材化學(xué)成分符合GB5310-2008中12Cr1MoVG化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)（管座側(cè)母材尺寸較小，無法進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)）。

從表2樣管焊縫金屬與T91焊絲化學(xué)成分對(duì)比可以看出，焊縫金屬化學(xué)成分與T91焊絲化學(xué)成分相符，即采用了高匹配形式。

3.3 硬度檢測(cè)

對(duì)管樣焊接接頭縱剖面進(jìn)行焊接接頭硬度分布檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)距離試樣外表面1mm，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該異種鋼焊縫金屬硬度均在320HV左右（布氏硬度約303HB），超過了DL/T752-2001中對(duì)該異種

表1 樣管母材化學(xué)成分分析結(jié)果

表2 樣管焊縫金屬與T91焊絲化學(xué)成分對(duì)比

圖3 焊接接頭硬度分布

3.4 金相檢測(cè)及裂紋檢測(cè)

對(duì)樣管母材、焊縫金屬以及裂紋進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果見圖4～圖8。

圖4 管側(cè)母材金相組織

圖5 管座側(cè)母材金相組織

圖6 焊縫金相組織

圖7 裂紋截面

圖8 衍生裂紋

從圖4可以看出，管側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，符合GB5310-2008對(duì)12Cr1MoVG材料的組織規(guī)定，母材球化評(píng)級(jí)為I級(jí)。

從圖5可以看出，管座側(cè)母材組織為回火馬氏體。

從圖6可以看出，焊縫金相組織為馬氏體。

從圖7可以看出，熱影響區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+珠光體組織，裂紋產(chǎn)生在12Cr1MoVG側(cè)熔合線外貼近熔合線的熱影響區(qū)內(nèi)，主裂紋拓展形式為沿晶開裂，裂紋方向平行于熔合線。

從圖8可以看出，在裂紋旁邊的熱影響區(qū)內(nèi)，也存在多條垂直于熔合線方向的沿晶開裂的衍生裂紋。

4 原因分析

4.1 化學(xué)成分測(cè)試分析

根據(jù)DL/T752-2001規(guī)定，12Cr1MoVG與SA-213T91異種鋼焊接焊材選用應(yīng)采用就低原則或中間原則，但該異種鋼焊縫實(shí)際采用了高匹配焊材。

4.2 硬度檢測(cè)分析

通過樣管硬度檢測(cè)結(jié)果可以看出，該焊接接頭整體硬鋼焊縫硬度的規(guī)定范圍（不超過高合金側(cè)母材硬度值加100HB且不超過270HB），同時(shí)T91側(cè)熱影響區(qū)硬度高達(dá)到了350HV（布氏硬度約330HB）。度偏高。從焊縫硬度可以看出，該焊接接頭未經(jīng)過熱處理或熱處理效果未達(dá)到要求，造成焊縫和熱影響區(qū)具有較大的脆性，斷裂傾向比較高。而對(duì)于異種鋼的焊接接頭，由于兩種鋼在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及熱物理性能上有較大差異，導(dǎo)致焊接接頭內(nèi)通常存在較高的焊接殘余應(yīng)力[5-7]，因而焊縫和熱影響區(qū)硬度值出現(xiàn)明顯偏高現(xiàn)象。

4.3 焊縫金相組織及裂紋檢測(cè)分析

通過樣管焊縫金相組織檢測(cè)結(jié)果可以看出，該焊接接頭焊縫組織為淬火馬氏體組織，與該焊縫采用高匹配焊材一致。采用高匹配焊材焊接時(shí)，由于[Cr]與[C]有更高的親和力，在焊接過程中，12Cr1MoVG母材中碳原子向熔池?cái)U(kuò)散，凝固冷卻后在焊縫形成了碳過飽和的淬火馬氏體組織，在12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)含碳量減少而形成脫碳層，在未進(jìn)行焊后熱處理或熱處理不當(dāng)?shù)那疤嵯拢搨?cè)熱影響區(qū)強(qiáng)度降低，同時(shí)，焊接熱循環(huán)造成的平直的晶界也加劇了該區(qū)域強(qiáng)度的下降而成為焊接接頭薄弱位置。

從裂紋形態(tài)、產(chǎn)生部位、裂紋方向，結(jié)合圖6焊縫金相組織，可以綜合判斷該裂紋屬于應(yīng)力開裂。在承載、膨脹、變形過程中，晶粒粗大、晶界平直的低合金側(cè)熱影響區(qū)產(chǎn)生微裂紋，隨后微裂紋沿晶界擴(kuò)展形成宏觀裂紋。

通過上述試驗(yàn)及分析可知，該低溫再熱器管焊接接頭開裂原因?yàn)殄仩t廠家生產(chǎn)時(shí)錯(cuò)將T91專用焊絲用于12Cr1MoVG與SA-213T91異種鋼焊口，同時(shí)在焊接完成后并沒有進(jìn)行相應(yīng)的熱處理或熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)脫碳層，降低了強(qiáng)度，同時(shí)，熱影響區(qū)平直的晶界也導(dǎo)致了該區(qū)域承載能力的降低，受鍋爐的啟停、負(fù)荷波動(dòng)等影響，該焊接接頭在該部位形成微裂紋，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，微裂紋沿著平直的粗晶區(qū)晶界擴(kuò)展形成主裂紋，主裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

通過上述試驗(yàn)及分析，綜合判斷出該焊縫裂紋屬于應(yīng)力開裂。

根據(jù)該焊接接頭開裂的失效原因，提出如下建議：

（1）對(duì)低溫再熱器同類型焊接接頭進(jìn)行100%光譜檢測(cè)與表面無損檢測(cè)抽查；

（2）對(duì)開裂焊接接頭進(jìn)行返修處理，在返修過程中應(yīng)選擇正確的焊接工藝和熱處理工藝，并進(jìn)行光譜復(fù)查和無損檢測(cè)；

（3）后續(xù)檢修加強(qiáng)對(duì)此類焊縫的金屬監(jiān)督檢查。

[1].DLT752-2010.火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程[S].

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