電站鍋爐過熱器接頭管開裂原因分析

■ 馬豎

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1. 概述

某電廠2號鍋爐是從日本三菱重工成套引進的機組，于1983年11月投入運行。鍋爐結構為半露天型式，可以混燒高爐煤氣、焦爐煤氣和煤，最大持續出力1160t/h，額定功率350MW。2017年12月，電廠對該鍋爐一級過熱器進行改造，改造后的機組啟停不久即發生一級過熱器管開裂泄露。一級過熱器管母材材質為12Cr1MoV，運行溫度約400℃，泄露位置位于U形彎水平段的同種鋼焊接接頭處。

泄露處焊縫為現場安裝焊縫，采用的焊接工藝為GTAW工藝，焊前未進行預熱，焊后未進行回火熱處理。為了查明管段開裂原因，防止過熱器管再次泄露或爆管發生，電廠隨后將泄露管割下，對泄露管和臨近的一段未泄露的對比管進行了各項檢測分析。

2. 試驗方法和結果

（1）宏觀檢查 圖1為泄露管和對比管焊接接頭宏觀形貌，按照管子在鍋爐的原始位置，將泄露管和對比管分別編號為18-5和17-3。檢查發現，泄露管18-5焊接接頭熔合線位置存在一環向裂紋，裂紋開口較小，長度約90mm。裂紋中部有一段長約25mm，由裂紋內凸出且顏色發亮的線狀金屬物。對比管17-3在焊縫附近有吹損減薄特征，但未發現宏觀裂紋。泄露管及對比管在焊縫附近均存在一定的彎度。

（2）化學成分分析 表1為泄露管18-5和對比管17-3接頭兩側母材取樣化學成分分析結果。結果表明，兩管段母材取樣化學成分均滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV鋼化學成分要求。

圖1 焊接接頭宏觀形貌

表1 化學成分

（3）力學性能測試 根據試驗需要分別對兩管段不同位置取樣，進行室溫和高溫（400℃）拉伸試驗、焊接接頭室溫沖擊性能試驗、以及母材和焊接接頭硬度測試。其中焊接接頭沖擊試驗中，由于壁厚限制，試樣采用2.5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣。各項試驗結果分別如表2～表4所示。

由表2～表4試驗結果可見，各取樣位置室溫及高溫（400℃）拉伸性能均滿足GB 5310對12Cr1MoV鋼性能要求。泄露管焊縫的沖擊韌性相對明顯較低，表明接頭位置脆性較大。對比管兩側母材及焊接接頭硬度，以及泄露管接頭兩側母材硬度均滿足標準要求，但泄露管焊縫的硬度值超出標準規定的上限值。

（4）金相組織檢驗 圖2為泄露管18-5焊接接頭及附近母材取樣微觀組織形貌。接頭一側母材組織為鐵素體+珠光體（見圖2a），另一側母材組織為鐵素體+珠光體+貝氏體（見圖2b），組織正常。焊縫組織為貝氏體，組織較為粗大（見圖2c），裂紋位于熱影響區粗晶區，開裂特征為典型的沿晶開裂（見圖2e）。亮白色線狀金屬呈近似倒三角形嵌于裂紋中（見圖2f）。

圖3為對比管取樣的微觀組織形貌。接頭兩側母材（見圖3a、圖3b）組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體，組織正常。焊縫（圖3c）組織為貝氏體，焊縫內可見多處沿晶微裂紋。

表2 室溫及高溫（400℃）拉伸試驗結果

表3 室溫沖擊試驗結果

表4 接頭維氏硬度試驗結果 （HV）

圖2 泄露管取樣微觀組織形貌

圖3 對比管取樣微觀組織形貌

（5）掃描電鏡（及能譜分析） 將開裂泄露管沿裂紋位置打開，置于掃描電鏡下進行斷口形貌進行觀察，如圖4所示。結果表明，斷口各區域均為典型的沿晶斷口特征，斷口靠近外壁側的氧化程度略重于內壁側的氧化程度，從斷口各區域的氧化程度并結合斷面上隱約可見的擴展放射線判斷，裂紋的主擴展方向應為由外壁側向內壁側擴展。

3. 試驗結果分析

綜上理化檢驗結果，泄露管裂紋中部有一段長約25mm、由裂紋內向外凸出的亮白色線狀金屬物，線狀金屬截面呈倒三角形，嵌在裂紋內，與基體熔合較差。這些特征表明，該線狀金屬區初始可能存在未熔合缺陷，發現后未按規程進行補焊。補焊時存在補焊區域未經清理，焊絲錯用等問題，導致了補焊金屬和基體間熔合不良，補焊區呈現為凸起的線狀發亮金屬物。該區域也成為應力集中區，機組啟機運行后，裂紋即在此處萌生并快速擴展至發生泄漏。

裂紋位于粗晶區，表現為典型的沿晶開裂裂紋特征，符合再熱裂紋的位置特征和形貌特征。12Cr1MoV鋼為鉻鉬系低合金珠光體耐熱鋼，焊接性能優良，在580℃以下具有較好的抗氧化和耐蝕性能，廣泛應用于我國電站鍋爐的過熱器、再熱器、蒸汽管道等高溫部件。但12Cr1MoV鋼中合金元素均為碳化物形成元素，有析出強化作用，容易在焊接熱影響區的粗晶區產生再熱裂紋。

圖4 接頭斷口宏觀和微觀形貌

綜合分析表明，此次爆管是由于該管段存在焊接缺陷，機組運行后，在焊接缺陷位置發生了再熱裂紋的萌生和快速擴展。值得一提的是，焊前無預熱處理，以及焊接熱過程中熱輸入量過大（表現為焊縫晶粒粗大）等因素也會促進再熱裂紋的萌生。

泄露管18-5焊縫硬度偏高，韌性不足，以及晶粒粗大的問題，這是由于施工環境氣溫較低（上海市11月份，溫度約15℃），焊前未進行預熱處理，焊后冷速過快造成的。同時，晶粒粗大也表明了焊接時存在焊接熱輸入量過大的問題。

而關于對比管17-3焊縫內存在較多的沿晶裂紋，從裂紋特征以及分布位置來看，該裂紋屬于焊接熱裂紋。焊縫一次結晶組織的晶粒越粗大，結晶方向性越強，就越容易促使夾雜偏析，在結晶后期越容易形成連續的液態共晶薄膜，增加熱裂紋的傾向。焊接接頭溫度分布不均勻，冷卻速度過快，以及接頭厚度較大或受到拘束較強時，焊接熱裂紋較容易產生。

4. 結論和建議

通過上述檢驗結果及分析，導致泄露管開裂的原因為，原始焊接缺陷引起的應力集中導致了泄露管接頭位置裂紋萌生，裂紋在焊接熱影響區的粗晶區以再熱裂紋的形式進行擴展，最終導致接頭位置開裂泄露。對比管焊縫中較多的沿晶裂紋為焊接時工藝控制不當（如熱輸入過大、焊縫冷速過快等）導致的焊接熱裂紋。

（1）對同類型的接頭進行監督運行，如條件允許建議定期進行普查，避免超標缺陷或微裂紋擴展引起的爆管。

（2）在后期施工中，特別是環境溫度較低時，建議增加焊前預熱及焊后熱處理工序，并控制好焊接熱輸入量，以確保達到優良的焊接質量。