電廠P91主蒸汽連接管裂紋原因分析及預防措施

李成超 張 勇 李 強

（泰安市特種設備檢驗研究院）

0 引言

近年來，國內電力行業發展迅速，大容量、高參數機組已逐步成為火電行業的主力機組，為了提高火電廠的運行效率，提高蒸汽質量，一些大型電力系統的高溫承壓部件都采用力學性能良好、耐受壓力、抗蠕變性能及抗高溫氧化的P91、P92等新型馬氏體鋼材料，但是由于焊接工藝及熱處理方式等原因導致焊縫金屬開裂，給電站鍋爐運行帶來極大的安全隱患，因此對P91材質產生裂紋的原因進行分析及采取預防措施具有重要的意義[1]。

1 概述

某電廠一臺電站鍋爐型號為XD-150/9.8-M，蒸汽連接管材質為P91，對其進行內部檢驗時，在集汽集箱入口前第一道環焊縫上部發現兩處微裂紋，一處長約18 mm，另一處長約8 mm。在首次進行表面探傷檢測時并未發現裂紋，而對焊縫金屬表面進行打磨處理后進行金相檢測時，可通過目視檢測觀察到裂紋；進一步對裂紋區域進行金相檢測，就可見清晰的裂紋形貌；通過調整磁粉粒度和磁懸液濃度后進行磁粉檢測也可發現清晰磁痕。

2 檢驗及檢測

2.1 目視檢測

目視檢測是指檢驗人員用肉眼對容器的結構和內、外表面狀態進行檢測，通常在其他檢驗方法前進行。目視檢測主要用于觀察材料、零件、部件、設備和焊接接頭等的表面狀態，配合面的對準、變形程度或泄漏跡象等[2]。對集汽集箱入口前第一道環焊縫進行整圈目視檢測后未發現相關顯示，在進行金相檢測前，粗磨后隨即發現了裂紋形態，進一步精磨后，焊縫表面2處微裂紋清晰可見，如圖1所示。裂紋形態呈輻射狀且寬度較窄，一般深度不超過2 mm,但是在打磨至與母材平齊后仍存在裂紋，由于該鍋爐運行時間較長，微裂紋在使用過程中來斷拓展和向下延伸。

圖1 主蒸汽連接管兩處裂紋宏觀形貌

2.2 磁粉檢測

磁粉檢測是檢測裂紋的常用方法，主要應用于鐵磁性材料的表面及近表面尺寸較小、間隙極窄的缺陷檢測。在常規無損檢測方法中，對于表面裂紋檢測靈敏度較高的方法是磁粉檢測。

集汽集箱入口前第一道環焊縫在完成目視檢測后，首次進行磁粉檢測后并未出現相關顯示；對P91材質焊縫進行金相檢測項目時發現焊縫表面存在及其細微的裂紋缺陷，因此提高了裂紋區域的打磨精度，同時調整磁粉粒度和磁懸液濃度后，發現了明顯磁痕，兩處磁痕均顯示為放射狀。

2.3 金相檢測

磁粉檢測完成后對集汽集箱入口前第一道環焊縫進行了粗磨處理，打磨過程中可見細微裂紋，精磨處理后可見清晰的裂紋形態。對裂紋區域進行金相檢測，結果如圖2所示。該裂紋呈輻射狀，并且由外向內逐漸變細，裂紋尖端較為尖銳，通過裂紋的微觀形貌判斷其符合應力腐蝕裂紋形態特征[3]。

圖2 主蒸汽連接管裂紋顯微形貌

2.4 光譜分析

發現裂紋后，對焊縫材質進行了光譜分析，焊縫主要元素及含量如表1所示。檢測結果符合ASME SA 335/SA 335M 標準對P91材質的要求。

表1 焊縫光譜分析主要元素及含量（質量分數） %

2.5 硬度檢測

對裂紋區域進行硬度檢測，檢測結果顯示，焊縫金屬硬度平均值為278 HB，略高于熱處理后硬度小于250 HB的要求。

3 原因分析及預防措施

3.1 母材影響

P91材質含有較多的合金元素（如釩、鎳等），其結構為空冷馬氏體組織，淬硬傾向大，其焊縫中的高應力馬氏體在潮濕環境下產生應力腐蝕開裂[4]。因此焊接后將焊道預告及時清除并使其圓滑過渡，盡量縮短焊接接頭焊后至熱處理的存放時間，且必須使部件保持干燥，避免其產生應力腐蝕開裂。

3.2 淬硬傾向的影響

通過對裂紋區域進行硬度檢測后發現，裂紋區域比周圍材料的硬度更高，且高于熱處理后硬度小于250 HB的指標，較高的硬度容易使材料在氫及殘余應力的作用下產生裂紋；焊接時線能量太小、冷卻速度過快及預熱溫度過低均會造成裂紋區域具有較大的淬硬傾向。因此在焊接前進行預熱、后熱可以降低焊接后的冷卻速率并延長冷卻時間，氫可以充分釋放，從而減少焊縫中氫的含量，減小焊縫中出現淬硬組織的可能性，從而防止裂紋產生。

3.3 殘余應力的影響

焊接接頭附近焊接殘余應力過大，板材自身內應力隨著厚度增加而變大，過大的內應力是焊縫金屬開裂的重要原因。硬度檢測值偏高說明焊縫熱處理工藝不符合要求，導致焊縫金屬殘余應力沒有及時釋放，殘余應力過大使焊縫金屬開裂。因此，焊接完成后應按照正確的熱處理工藝及時進行焊后熱處理，并選擇合理的焊接順序，減少材料焊接變形，消除焊接應力，降低約束應力，避免焊縫出現裂紋。

3.4 氫的影響

通過安裝資料發現，P91材質焊縫焊接時正值雨季，焊接材料潮濕，施工環境濕度大，未對焊縫表面油污、鐵銹等臟污進行清潔等原因都會導致焊接過程中產生氫，引起焊縫氫脆開裂。因此焊材在使用前應嚴格按照作業指導書進行烘干和使用，并嚴格控制施焊環境的溫度、濕度；嚴格做好焊前準備工作，焊前對焊縫區域的油污、銹渣等進行清理，有效控制有害成分對焊接過程的影響。

4 結論

對P91材質焊接接頭進行檢驗時，由于裂紋較為微細，優化無損檢測的檢測工藝可以提高缺陷的檢出率，適當增加檢驗項目可有效分析得到P91材質焊接產生裂紋的原因，預防焊縫產生裂紋。