低溫再熱器彎頭耳板角焊縫開裂原因分析

目前，很多電站鍋爐的尾部受熱面低溫再熱器、低溫過熱器都采用了耳板懸掛的形式固定。由于耳板并非直接承壓部件，所以在生產(chǎn)制造過程中未引起足夠重視，沒有嚴(yán)格按照技術(shù)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，導(dǎo)致承壓管道失效，出現(xiàn)泄漏情況。

事情經(jīng)過

某公司1號爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1100/17.4-Ⅱ3型號的單汽包、自然循環(huán)、循環(huán)流化床燃燒方式鍋爐，額定蒸發(fā)量1100噸/小時(shí)，過熱蒸汽出口溫度541攝氏度，出口壓力17.4兆帕。該鍋爐于2012年11月23日投入商運(yùn)，自2013年1月6日低再上管組上管圈下彎頭耳板角焊縫發(fā)生第一次泄漏至5月8日，共發(fā)生4次泄漏，泄漏位置分別是左數(shù)第 50、52、39、74 排。在第2次發(fā)生泄漏后，經(jīng)過分析泄漏試樣，認(rèn)為焊接質(zhì)量是造成低再泄漏的原因之一。

2014年6月機(jī)組小修后進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)低再左數(shù)第36、46排有漏點(diǎn)，漏點(diǎn)位置還是低再彎頭耳板角焊縫處。經(jīng)滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低再耳板角焊縫沿管側(cè)熔合線開裂，對其相鄰的其他管排角焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋缺陷。將有宏觀裂紋的第36排、未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的第37排及制造廠新加工低再彎頭角焊縫進(jìn)行對比分析，再次分析裂紋產(chǎn)生原因及新彎頭是否能滿足使用要求。

由于位置較隱蔽，每次泄漏都看不見，摸不到，因此采用內(nèi)窺鏡對其他部位進(jìn)行檢查，由于現(xiàn)場灰塵較大且不易清理，均未發(fā)現(xiàn)其他彎頭角焊縫存在裂紋缺陷。

2014年8月利用停機(jī)時(shí)機(jī)，將低再上管組外共102根彎頭全部進(jìn)行了更換，自2014年9月4日投運(yùn)后至今未再發(fā)生泄漏。

設(shè)備概況

尾部煙道由規(guī)格為 Φ63.5×7毫米、材質(zhì)為SA-210C膜式中隔墻隔成前后兩個(gè)煙道，前煙道布置了三組規(guī)格為Φ70×5毫米、材質(zhì)自上而下為 12Cr1MoV、15CrMo、20G 的低溫再熱器，后煙道布置有四組低溫過熱器。

低再通過焊接在第一管組上管圈下彎頭的耳板吊在中隔墻隔上，支撐和固定低溫再熱器管排。該彎頭與中隔墻過熱器的間距為70毫米，距最上一根管的距離為1000毫米，距該管組最下一根管的距離為1100毫米，低再管排間距為70毫米。

管子材質(zhì)為 12Cr1MoV/Φ70×5 毫米，耳板材質(zhì)為1Cr20Ni14Si2，厚度為10毫米，支撐點(diǎn)距管彎頭距離為12毫米。

低再出口汽溫在460攝氏度左右，低再煙氣溫度在820攝氏度左右。

試驗(yàn)結(jié)果

滲透檢驗(yàn)結(jié)果

彎頭滲透探傷檢測發(fā)現(xiàn)，36號彎頭耳板與管子角焊縫熔合線一側(cè)有長約100毫米的裂紋痕跡顯示，裂紋連續(xù)，沒有張口，沿著角焊縫與管子母材熔合線開裂。另一側(cè)及37號彎頭未見其他缺陷。觀察耳板角焊縫發(fā)現(xiàn)焊縫波較粗糙，且存在一定的咬邊現(xiàn)象，說明未認(rèn)真遵守焊接規(guī)范。

化學(xué)成分分析

使用3460直讀光譜儀對管子及耳板進(jìn)行化學(xué)成分分析，可以看出結(jié)果符合GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoVG的要求，并且3根管子的化學(xué)成分差異不大。36號彎頭、37號彎頭耳板的C、S、P含量比新管彎頭耳板偏高，在不銹鋼中C、S、P一般為雜質(zhì)，應(yīng)盡量控制，特別是S含量一般控制在0.030%以下，P含量一般控制在0.045%以下。

金相組織

使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對彎頭焊縫及附近母材、熱影響區(qū)進(jìn)行金相觀察，金相取樣見圖1、圖2、圖3，采用4%硝酸酒精和王水腐蝕，從3個(gè)試樣腐蝕后的橫截面觀察，36號彎頭試樣上有3條明顯的裂紋，除了已經(jīng)開裂的裂紋1外，在旁邊還發(fā)現(xiàn)裂紋2，在另一側(cè)還發(fā)現(xiàn)裂紋3。其他兩個(gè)試樣宏觀未見開裂現(xiàn)象。

圖1 36號彎頭金相試樣

圖2 37號彎頭金相試樣

圖3 新管彎頭金相試樣

36號彎頭試樣裂紋1、裂紋2、裂紋3在管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)，靠近焊縫，沿晶開裂，裂紋1、3內(nèi)均可見氧化皮，說明開裂時(shí)間較長，裂紋附近組織為粗大貝氏體，12Cr1MoVG與不銹鋼焊縫之間熔合線有一條明顯的增碳層，有的地方較寬，最大達(dá)到0.08毫米，除3條明顯的裂紋外，還有部分微裂紋開裂后向焊縫延伸，多數(shù)終止于熔合線，沒有向焊縫延伸。

從裂紋2的擴(kuò)展路徑看，擴(kuò)展過程中出現(xiàn)裂紋分支，但很快分支裂紋終止，并且出現(xiàn)類似擠壓的碎塊，具有疲勞擴(kuò)展特征。

在36號彎頭試樣耳板側(cè)熱影響區(qū)位置也發(fā)現(xiàn)存在沿晶開裂，沒有明顯擴(kuò)展，耳板金相組織為奧氏體，未見孿晶。

37號彎頭試樣雖然沒有宏觀裂紋，但在金相顯微鏡下觀察，在圖2的6、7位置也發(fā)現(xiàn)沿晶開裂裂紋均在管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)，靠近焊縫，近表面位置，裂紋附近金相組織為粗大的貝氏體，熔合線也有一條明顯的增碳層。裂紋尖端可見晶界呈鏈狀聚集。

從37號彎頭試樣裂紋產(chǎn)生位置分析，此類管側(cè)熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生于粗晶區(qū)，近表面位置，在運(yùn)行中沿著應(yīng)力方向擴(kuò)展，一端向管內(nèi)壁延伸，一端沿著熔合線向表面擴(kuò)展，最終完全裂開，導(dǎo)致管子泄漏。

在37號試樣耳板側(cè)熱影響區(qū)位置（圖2中位置8、9），也發(fā)現(xiàn)存在沿晶開裂，沒有明顯擴(kuò)展，耳板金相組織為奧氏體，未見孿晶。

36、37號彎頭試樣管側(cè)母材金相組織均為鐵素體+貝氏體，貝氏體球化2.5級，未見明顯異常。焊縫組織均為奧氏體，樹枝狀結(jié)晶。

新管彎頭試樣金相觀察未見微裂紋，管側(cè)母材金相組織為鐵素體+貝氏體，貝氏體球化2級，未見明顯異常。與36、37號彎頭試樣相比，打底焊縫組織為方向性回火馬氏體；蓋面焊縫組織為回火貝氏體。管側(cè)熱影響區(qū)金相組織熔合線上沒有明顯增碳，粗晶區(qū)組織鐵素體+貝氏體，耳板側(cè)熱影響區(qū)金相組織耳板側(cè)沒有微裂紋。

電鏡試驗(yàn)

對焊縫橫截面進(jìn)行能譜成分分析，定量分析結(jié)果見表1，由于樣品斷口不符合能譜定量分析條件，定量分析結(jié)果僅供參考。從表1可以看出，36、37號彎頭焊縫處檢測區(qū)域的化學(xué)成分為含高Cr、Ni的鐵基金屬，推測為不銹鋼焊材；新管彎頭焊縫蓋面層的化學(xué)成分為含 Cr、Mo、V 等的低合金鐵基金屬，推測為低合金焊材，但是焊縫打底層為含中Cr、Ni的鐵基金屬，不同于蓋面層。新管彎頭焊縫打底、蓋面應(yīng)是采用不同的焊接材料，焊接工藝不同于36、37號彎頭焊縫。

對37號彎頭管側(cè)熱影響區(qū)裂紋進(jìn)行電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋在熱影響區(qū)沿晶開裂及擴(kuò)展，在裂紋尖端表現(xiàn)為微孔聚合，最終導(dǎo)致晶界開裂，形成裂紋。

新樣管檢驗(yàn)結(jié)果

金相分析表明管側(cè)母材金相組織為鐵素體+貝氏體，未見異常；耳板側(cè)母材金相組織為奧氏體，未見孿晶，焊縫組織分為兩層，打底焊縫組織為方向性回火馬氏體，蓋面焊縫組織為回火貝氏體，與能譜分析結(jié)果推測一致；焊縫熔合線未見增碳、脫碳層，熱影響區(qū)均未見明顯裂紋。與舊彎頭比較，采用了不同焊接材料，即使同一個(gè)焊縫，打底所用的焊接材料和蓋面所用的焊接材料也不相同，應(yīng)是改變了焊接工藝。

試驗(yàn)結(jié)果分析

從37號彎頭金相分析結(jié)果及電鏡高倍觀察結(jié)果可見，管側(cè)裂紋均產(chǎn)生于管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)，近表面位置，沿晶開裂，在粗晶區(qū)沿著奧氏體晶界擴(kuò)展，形成較多不連續(xù)的晶間微裂紋，并非從管子表面起裂，說明裂紋源在管子熱影響區(qū)粗晶區(qū)。從36號彎頭已完全裂開的裂紋形態(tài)分析，微裂紋形成后，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用下，沿著應(yīng)力方向擴(kuò)展，一端向管內(nèi)壁延伸，具有疲勞擴(kuò)展的特征，一端沿著熔合線向表面擴(kuò)展，最終完全裂開，導(dǎo)致管子泄漏。

管側(cè)焊縫熱影響區(qū)裂紋附近金相組織為粗大貝氏體，熔合線上可見很窄的增碳帶，脫碳帶不明顯。說明碳遷移不嚴(yán)重，不是產(chǎn)生裂紋的原因。

從37號彎頭發(fā)現(xiàn)的微裂紋形態(tài)分析，裂紋發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋是沿著熔合線母材側(cè)的奧氏體粗晶晶界擴(kuò)展，沿晶開裂，裂紋尖端有微孔聚合特征，從產(chǎn)生位置分析，此類裂紋均產(chǎn)生在近表面，此處的焊接應(yīng)力和應(yīng)力集中較為明顯，從材質(zhì)分析，裂紋產(chǎn)生在管側(cè)粗晶區(qū)12Cr1MVG側(cè)，該材料近年來發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生再熱裂紋的傾向，因此認(rèn)為該裂紋屬于再熱裂紋，是彎頭開裂的內(nèi)部原因。

表1 焊縫部位能譜定量分析結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wt%）

從低再彎頭的結(jié)構(gòu)上分析，耳板直接焊接在低再彎頭背弧上，彎頭背弧存在壁厚減薄、不圓等現(xiàn)象，再加上低再管排在運(yùn)行中因?yàn)榕蛎洰a(chǎn)生左、右位移，對耳板產(chǎn)生一個(gè)彎矩，導(dǎo)致對角焊縫會(huì)形成了一個(gè)拉應(yīng)力，從36號彎頭裂紋后期擴(kuò)展走向可以看出，裂紋擴(kuò)展方向是與應(yīng)力方向垂直的，因此該結(jié)構(gòu)應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展的外部因素。

管側(cè)材料的化學(xué)成分符合GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoV要求，管側(cè)母材橫截面的金相組織為鐵素體+貝氏體，未見異常。焊接材料采用的不銹鋼焊條，焊縫金相組織為樹枝狀結(jié)晶奧氏體，未見異常。

耳板側(cè)材料為含鉻、鎳的奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分C、S、P含量偏高，易與Ni形成低熔點(diǎn)化合物或共晶，導(dǎo)致晶界弱化，容易產(chǎn)生沿晶裂紋，這與在金相試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的耳板側(cè)熱影響區(qū)沿晶裂紋相吻合，但是由于耳板較厚，并且不銹鋼材料韌性較好，因此該裂紋沒有明顯擴(kuò)展。

結(jié)論

1.焊接產(chǎn)生的再熱裂紋是導(dǎo)致低再彎頭開裂的內(nèi)在原因，使角焊縫產(chǎn)生了裂紋源。

2.焊接熱輸入量大、焊接電流大，造成熱影響區(qū)組織粗大是造成再熱裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。

3.焊縫金屬選用強(qiáng)度較高，管材抗塑性變形能力低，是造成裂紋產(chǎn)生和管側(cè)熱影響區(qū)開裂泄漏，導(dǎo)致早期失效的主要原因之一。

4.新彎頭焊縫檢驗(yàn)結(jié)果均正常，組織未見異常，采用低配R317焊條為同種鋼焊接，對減少再熱裂紋的產(chǎn)生有一定作用。耳板側(cè)由于異鋼焊接，但由于耳板較厚，并且不銹鋼材料韌性較好，裂紋擴(kuò)展較慢，能較有效避免泄漏。