熱電廠主蒸汽母管焊縫裂紋的原因分析和預防措施

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司 馮宏

前言

熱電廠主蒸汽管道母管是連接鍋爐系統和汽輪發電機系統的主要設備樞紐，在熱電廠的的金屬安全監督工作中是不可忽視的重要環節。由于主蒸汽母管運行參數高、安裝工藝復雜、施工控制難度大，所以在材料設計采購、安裝焊接和運行中都可能發生危及生命和重大設備安全運行的事故發生。本文以一則主蒸汽母管在特種設備檢測中發現的多處母管焊縫裂紋現象為例，分析裂紋的成因，并提出整改和預防措施。

2018年2月，嘉興新嘉愛斯熱電有限公司委托特檢院對主蒸汽母管進行全面檢驗，在對焊縫進行超聲和磁粉檢測時，陸續發現主蒸汽管三通和多處焊縫處均存在大小不一的橫向裂紋，具體如圖1～4。

圖1

圖2

圖3

圖4

公司對此高度重視，對其他主蒸汽母管焊縫進行了全面檢查檢測，在其他部位的焊縫也發現一些裂紋。部分裂紋比較細小淺薄，經過打磨可以消除；部分裂紋比較深，個別已經貫穿管壁厚度80%，嚴重影響機組的安全運行。

公司立即對所有的焊縫裂紋進行了消除、重新焊接、熱處理和重新檢測，確保機組的安全運行。并對有代表性的焊縫和管道進行采樣，委托特檢院進行分析以查找原因。

1 運行工況

嘉興新嘉愛斯熱電有限公司主蒸汽母管管道材質是12Cr1MoVG，三通規格φ273x25，管道規格是φ273x20，主蒸汽管工作壓力9800千帕，使用溫度540℃。根據TSGG0001-2010《鍋爐安全監察技術規程》，12Cr1MoVG中使用溫度≤580℃。

管道開始服役時間：2006年9月，至今90000小時。

焊接方法：底道焊縫GTAW（鎢極惰性氣體保護焊）/二道、中間層、蓋面層SMAW（手工電弧焊）；坡口形式：V型坡口；焊絲牌號TIG-R31，焊條型號R317；預熱溫度200～300℃，焊后處理溫度是720℃ ～750℃[1]。

2 材料和安裝工藝檢查

2.1 焊接工藝資料核查

對當時2006年的安裝施工資料檔案進行查詢，查到部分安裝公司的焊接專業施工組織設計和主蒸汽管道焊接作業指導書，由于時間較長，沒有找到焊接工藝評定報告。

2.2 材料檢查

分別從焊縫位置和兩側母材取樣，委托特檢院進行化學成分分析，結果見表1和表2，材料基本符合合金鋼的合金元素含量，不存在材料用錯和材料替代。

2.3 技術規范符合性檢查

檢查了主蒸汽母管母材和焊材選用使用以及匹配性，符合DL/T869-2004《火力發電廠焊接技術規程》技術要求。也查閱了相關運行記錄，沒有查到相關違反技術規范資料的情況。

3 檢驗檢測情況

委托省特檢院進行了失效分析，特檢院采用宏觀結構分析與微觀研究相結合的方法從力學、結構、材質成分、金相組織、材料力學性能、斷面分析等進行分析，以下是特檢院對采樣的分析情況：

3.1 裂紋宏觀分析

裂紋宏觀如圖5和圖6所示：

圖5 裂紋宏觀照片（焊縫橫向裂紋）

圖6 裂紋宏觀照片（焊縫橫向裂紋）

裂紋徑向方向深度約為10毫米，焊縫橫向方向長度約為20毫米，裂紋從一側熔合區擴展到另一側的熔合區。

3.2 化學成分分析

分別從焊縫位置和兩側母材取樣，進行化學成分分析，結果見表1和表2。

蒸汽管材料為12Cr1MoVG，參照GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG材料成分要求，除粗管段母材中S元素，化學成分檢測結果符合標準要求；焊縫處焊絲材料為R31，焊條材料為R317。焊絲材料化學成分除Mn、Si元素外，檢測結果滿足DL/T869-2012《火力發電廠焊接技術規程》。

3.3 力學性能分析

3.3.1 分別從焊縫和母材位置取拉伸試樣

#1試樣是母材處，#2和3#試樣中心位置是焊縫處。

3.3.2 顯微硬度分析

對焊縫處從內表面到外表面沿徑向打20個點，做顯微硬度分析，見表4；從熔合區到焊縫中心沿焊縫橫向打14個點，做顯微硬度分析，見表5。

根據GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》和DL/T869-2012《火力發電廠焊接技術規程》，材料力學性能滿足標準要求。通過表5可以看出焊縫處靠近熔合區硬度位置偏高[2]。

3.4 金相分析

裂紋徑向金相如圖7-10：

圖7 拋光態下的徑向裂紋1（50倍近表面）

圖8 拋光態下的徑向裂紋2（50倍近表面）

圖9 拋光態下的徑向裂紋3（50倍心部）

表1 主蒸汽管焊縫化學成分分析結果（wt%）

表2 蒸汽管母材化學成分分析結果（wt%）

表3 拉伸試驗結果

表4 徑向維氏硬度值（HV）

表5 橫向維氏硬度值（HV）

圖10 拋光態下的徑向裂紋4（50倍心部）

裂紋從焊縫外表面往材料內部擴展，在裂紋尖端處（距表面約為10毫米處）出現很多微裂紋。

焊縫橫向方向的裂紋如圖11-12：

圖11 橫向裂紋（近熔合區處 50倍）

圖12 橫向裂紋（近焊縫中心位置 50倍）

裂紋在近表面沿原奧氏體晶界處開裂，裂紋起源于焊縫與母材交界處粗晶區，終止于焊縫橫向中心位置細晶區。如圖13-14：

圖13 微裂紋形成位置400倍

圖14 微裂紋形成位置1000倍

3.5 掃描電鏡

掃描電鏡對裂紋進行掃描，如圖15-17：

圖15 裂紋尖端空位開裂

圖16 微裂紋的形成

圖17 空位開裂

4 結果分析

根據檢驗檢測情況，特檢院作出以下分析結果[3]：

焊絲化學成分中錳、硅元素不符合DL/869-2012《火力發電廠焊接技術規程》的要求，粗段母材處硫元素不符合GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對12Cr1MoVG材料成分要求，但是裂紋位于焊條材料覆面焊的近表面位置，受焊絲和母材材質影響不大；

根據再熱裂紋經驗公式：

△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2=2.406＞0

說明材質再熱裂紋傾向很大。

根據GB5310-2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》和DL/T869-2012《火力發電廠焊接技術規程》，焊接處力學性能滿足標準要求。通過表5可以看出焊縫靠近熔合區處維氏硬度偏高。

該裂紋是近表面橫向裂紋，裂紋呈斷續分布。

通過金相和掃描結果可以看出：主裂紋起源于焊縫熔合區粗晶處，終止于焊縫中間細晶處；焊縫內部組織是網狀鐵素體+粒狀貝氏體；該裂紋屬于沿晶裂紋，晶界上富集碳、錳、鉻元素形成的碳化物弱化了晶界。

該裂紋屬于再熱裂紋，服役溫度（540℃）屬于再熱裂紋的形成溫度區間（500～700℃）。12Cr1MoVG鋼含有鉻、鉬、釩等強碳化物形成合金元素，管道的壁厚比較大，該焊接接頭又處于三通位置，應力狀態比較復雜，容易在焊縫處產生應力集中；長時間的高溫狀態下服役，合金元素容易在晶界處析集，導致沿晶開裂。

根據以上結論推定采樣裂紋屬于再熱裂紋，在長期高溫高壓服役狀態下，合金元素在靠近焊縫熔合區域粗大的晶界出析集，并在殘余應力的綜合作用下，晶界處出現空位缺陷，焊縫熔合區在結構應力和熱應力的作用下產生了微裂紋，這些裂紋隨著熱疲勞逐漸擴展慢慢形成大裂紋。

5 結論及預防措施

5.1 結論

熱電廠主蒸汽母管在長期高溫高壓服役狀態下，焊縫熔合區在結構應力和熱應力的作用下可能會在靠近焊縫熔合區域產生了微裂紋，這些裂紋隨著熱疲勞逐漸擴展慢慢形成大裂紋。

5.2 預防措施

熱電廠主蒸汽母管在項目建設過程中，不僅必須嚴格控制主蒸汽管道材質而且要嚴格控制焊條材料材質，各項合金元素必須在規范規定的范圍內。對于旁路、三通、疏水管、流量計、法蘭彎頭、管接座、疏水管接口、流量噴嘴等嚴格控制材料質量，不得用錯，不得使用有缺陷的材料產品。

熱電廠主蒸汽母管在建設安裝過程中，對于旁路、三通、疏水管、流量計、法蘭彎頭、管接座、疏水管接口、流量噴嘴等部位的焊接尤其要注意控制焊接工藝和焊接質量[4]，嚴格按照DL/869-2012《火力發電廠焊接技術規程》要求執行，在定期檢查過程中重點防范。

熱電廠嚴格按照TSG2001《鍋爐安全技術監察規程》的要求，在規定期限內定期對鍋爐、壓力容器、壓力管道進行全面的檢查監督，對于出現焊縫裂紋、材質球化等級達到4級或以上的及時進行更換整改，消除安全隱患。對于一定服役期限的熱電廠應把主蒸汽母管列為重點金屬監督對象，依法依規實施監督檢驗。

[1]DL/869-2012《火力發電廠焊接技術規程》

[2]TSG2001《鍋爐安全技術監察規程》

[3]《失效分析報告》浙江省特種設備檢驗研究院

[4]《主蒸汽管道焊接裂紋分析及預防措施》趙萬江《黑龍江電力技術》1999.6