高溫再熱器出口聯(lián)箱管座角焊縫開裂原因分析

鄧輝

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450000)

0 引言

近年來，火電機(jī)組重要管道和高溫集箱上熱工儀表管、疏水管及排空氣管等管座角焊縫開裂泄漏事故頻繁發(fā)生[1]。多數(shù)開裂是由焊接缺陷引起的，同時(shí)還與管線布置、管道材質(zhì)等因素有關(guān)[2-5]。由于接管與母管具有相同的壓力和溫度，所以一旦發(fā)生泄漏，會(huì)對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

某電廠#4鍋爐檢修期間發(fā)現(xiàn)高溫再熱器(以下簡(jiǎn)稱高再)出口聯(lián)箱排空氣管管座角焊縫存在表面裂紋缺陷，采取挖補(bǔ)修復(fù)措施后，運(yùn)行約6 000 h后角焊縫再次開裂，發(fā)生蒸汽泄漏。

1 設(shè)備概況

該電廠#4鍋爐為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的DG1025/18.2-Ⅱ14型亞臨界鍋爐，于2003年12月投入運(yùn)行，至2017年12月已累計(jì)運(yùn)行約9萬h，啟停63次。高再出口聯(lián)箱布置在標(biāo)高51.2 m處，穿過爐頂大罩，規(guī)格為877.6 mm×55.0 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG。在爐外距護(hù)板約1 m處聯(lián)箱的上側(cè)，連接有一根排空氣管，規(guī)格為?42 mm×6 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG。

2 檢查情況

2.1 宏觀檢測(cè)

排空氣管管座角焊縫開裂形貌如圖1所示。從圖1可以看出，該管座在高再出口聯(lián)箱上側(cè)，通過包墻開孔延伸進(jìn)爐膛內(nèi)，開孔較小。機(jī)組運(yùn)行時(shí)排空氣管沿A-A向的膨脹受阻，導(dǎo)致管座角焊縫受A-A向的反向拉應(yīng)力。角焊縫開裂方向與膨脹受阻方向一致，且此次開裂位置與上次檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋位置相同，說明排空氣管穿過包墻處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

對(duì)開裂管座進(jìn)行取樣(如圖1b所示)，分別為原焊縫未補(bǔ)焊未開裂處試樣1、補(bǔ)焊邊界裂紋尖端處試樣2、補(bǔ)焊中間完全開裂處試樣3，試樣經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后形貌如圖2所示。從圖2可以看出，試樣1未進(jìn)行挖補(bǔ)，原焊縫中存在氣孔等缺陷；試樣2雖然進(jìn)行了挖補(bǔ)，但焊縫中原焊接缺陷并沒有挖除干凈，裂紋沿著補(bǔ)焊熔合線擴(kuò)展但未完全斷裂，有細(xì)小裂紋延伸入熱影響區(qū)；試樣3同試樣2形貌相似，但裂紋由熔合線延伸入12Cr1MoVG基體一側(cè)的熱影響區(qū)后完全開裂，這可能與裂紋擴(kuò)展方向剛好與應(yīng)力方向垂直有關(guān)；由圖2d所示的試樣3斷口宏觀形貌可見，斷口處存在夾渣等焊接缺陷。

圖1 排空氣管管座角焊縫開裂形貌Fig.1 Morphology of crack on the fillet weld of the ventilation tube socket

圖2 試樣經(jīng)腐蝕后宏觀形貌Fig.2 Morphology of different corroded samples

2.2 光譜檢驗(yàn)

使用XL3t980合金分析儀對(duì)斷裂的管樣材質(zhì)進(jìn)行光譜分析，光譜分析結(jié)果見表1。管座原焊接材質(zhì)為R317，補(bǔ)焊材質(zhì)為鎳基焊材Inconel82。由表1可知，光譜檢驗(yàn)結(jié)果符合DL/T 991—2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》[6]、DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[7]及《焊接手冊(cè)》要求[8]。

2.3 硬度檢驗(yàn)

使用HV-1000A顯微硬度計(jì)對(duì)試樣2的管座母材進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果為112，112，111 HB，低于DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求的135～197 HB。

2.4 金相檢驗(yàn)

對(duì)裂紋尖端試樣2的母材、熱影響區(qū)、原焊縫區(qū)、補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行金相組織觀察，如圖3所示。由圖3可見：12Cr1MoVG側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體，僅有少量的珠光體區(qū)域，碳化物明顯聚集長(zhǎng)大呈顆粒狀，部分碳化物分布在晶界及其附近，晶界上碳化物呈鏈狀分布，老化4級(jí)(如圖3a所示)；12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)為鐵素體+貝氏體，組織正常(如圖3b所示)；管座原焊縫區(qū)組織為鐵素體+貝氏體，組織正常(如圖3c所示)；管座補(bǔ)焊區(qū)組織為奧氏體，組織正常(如圖3d所示)。

表1 取樣管光譜檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Optical testing results of samples %

圖3 試樣2各區(qū)域組織形貌Fig.3 Morphology of different regions of sample 2

對(duì)試樣2裂紋附近組織進(jìn)行金相檢驗(yàn)，選定圖2b中的A，B區(qū)域。從圖4可以看出，裂紋附近組織無異常，裂紋沿12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)和焊縫分界線即熔合線延伸，且在B區(qū)域熱影響區(qū)存在細(xì)小的疲勞裂紋。

2.5 掃描電鏡分析

采用QUANTA-650型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣2的裂紋起源A區(qū)進(jìn)行掃描電鏡觀察，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。相關(guān)研究表明，在焊接接頭熔合良好的情況下，540 ℃高溫長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中，焊縫金屬元素會(huì)向母材區(qū)域發(fā)生擴(kuò)散，即熔合線毗鄰母材金屬的區(qū)域內(nèi)應(yīng)含有一定量的Ni元素[9]。從圖5可以看出，在靠近裂紋熔合線毗鄰12Cr1MoVG側(cè)母材區(qū)域內(nèi)，Ni元素含量極少，并無Ni元素的過渡區(qū)，說明開裂起源處存在熔合不良的情況。

圖4 試樣2裂紋附近組織形貌Fig.4 Morphology near the crack of sample 2

圖5 試樣2熔合線附近開裂起源處形貌及元素分布線狀圖Fig.5 Morphology and elements distribution line map of sample 2 at crack origin area near fusion line

3 開裂原因分析

造成#4鍋爐高再出口聯(lián)箱排空氣管管座角焊縫開裂的原因如下。

(1)原焊縫缺陷未挖除干凈；采用鎳基焊材進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝不當(dāng)，存在坡口熔合不良、氣孔等焊接缺陷。

(2)此次開裂位置與上次檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷位置相同，結(jié)合護(hù)板開孔形貌，排空氣管穿過包墻處開孔較小，使排空氣管膨脹受阻，導(dǎo)致管座角焊縫受反向拉應(yīng)力。

補(bǔ)焊工藝不當(dāng)，焊接質(zhì)量不佳，存在坡口熔合不良等焊接缺陷，在膨脹應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等因素作用下，首先在外壁發(fā)展成裂紋，然后沿熔合線由外向內(nèi)擴(kuò)展，最后向排空氣管12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)擴(kuò)展撕裂，導(dǎo)致角焊縫開裂，發(fā)生蒸汽泄漏。

4 處理建議

(1)修整爐墻護(hù)板上排空氣管穿孔尺寸，保證排空氣管自由膨脹。

(2)采用局部挖補(bǔ)方法處理焊縫缺陷時(shí)，應(yīng)將缺陷挖除干凈，補(bǔ)焊后應(yīng)進(jìn)行無損檢測(cè)。局部挖補(bǔ)只能作為一種臨時(shí)措施，應(yīng)盡快擇機(jī)對(duì)管座整體進(jìn)行重新焊接，并采用合適的焊接材料和工藝。