鍋爐厚壁蒸汽管道焊接接頭開裂原因探究

王義廂

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310018)

國內(nèi)某電廠在用的一臺(tái)亞臨界電站鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h，過熱蒸汽出口壓力為17.3 MPa，過熱蒸汽出口溫度為540 ℃。鍋爐給水經(jīng)省煤器受熱進(jìn)入鍋筒，與爐水混合，經(jīng)集中下降管進(jìn)入爐膛水冷壁，爐水通過水冷壁管的傳導(dǎo)受熱產(chǎn)生蒸汽并向上流動(dòng)，形成汽水混合物經(jīng)上升管進(jìn)入鍋筒，鍋筒中的旋風(fēng)分離器對(duì)其飽和汽水進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)生的飽和蒸汽依次經(jīng)頂棚過熱器、包覆墻過熱器、低溫過熱器、分隔屏過熱器、后屏過熱器和末級(jí)過熱器吸熱，最后經(jīng)主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)。從低溫過熱器至末級(jí)過熱器各級(jí)過熱器之間采用大規(guī)格厚壁管道軸向混合，其中過熱蒸汽經(jīng)后屏過熱器出口集箱引出的2根材質(zhì)12Cr1MoVG、規(guī)格φ457 mm×60 mm的厚壁連接管進(jìn)入末級(jí)過熱器進(jìn)口集箱，2根連接管左右交叉布置，目的是減少管子間及管屏間的熱偏差。鍋爐運(yùn)行中由于蒸汽泄漏緊急停爐，停爐冷卻后檢查發(fā)現(xiàn)，后屏過熱器與末級(jí)過熱器之間的右側(cè)連接管與末級(jí)過熱器進(jìn)口集箱三通連接的焊接接頭開裂，為過熱蒸汽泄漏位置，對(duì)失效的焊接接頭開展了多種相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行分析，探究其開裂的主要原因。

1 宏觀檢查及資料核查

開裂的位置位于焊接接頭下方三通側(cè)的熱影響區(qū)，并且沿管道環(huán)向開裂(見圖1)。焊縫外壁開裂長度為1 276 mm，占管道周長的90%，而最大的開口位置寬度為6 mm(見圖2)，開口表面平直，未見撕裂特征。該焊口為施工現(xiàn)場焊接，采用手工多層多道焊。查找鍋爐安裝的焊接及熱處理記錄報(bào)告，資料顯示，焊接采用氬弧焊接打底、手工焊多道多層蓋面，焊絲采用TIG-R31，焊條采用R317。

圖1 焊接接頭開裂宏觀形貌

圖2 焊接接頭開裂最大開口位置宏觀形貌

2 試驗(yàn)分析

2.1 合金成分分析

采用合金分析儀對(duì)失效焊接接頭的兩側(cè)母材進(jìn)行光譜分析，結(jié)果顯示材質(zhì)為12Cr1MoVG，主要元素含量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。檢測結(jié)果證明使用的管道材質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。

在焊接接頭上進(jìn)行取樣，采用X射線能譜對(duì)焊縫金屬試樣進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果見表1。通過表1發(fā)現(xiàn)，焊縫能譜成分符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求。對(duì)焊接接頭斷口試樣進(jìn)行化學(xué)清洗，采用X射線能譜進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2。通過表2分析值結(jié)果顯示，斷口表面含量最高的是氧化物，表征了在蒸汽泄漏過程中，斷口表面形成的高溫氧化物、晶界碳化物析出及鉻元素遷移。

表1 試樣的化學(xué)成分分析值及標(biāo)準(zhǔn)參考值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 斷口試樣化學(xué)成分分析值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

2.2 拉伸性能試驗(yàn)

在失效焊縫取全焊縫金屬試樣，通過室溫拉伸試驗(yàn)來進(jìn)行橫向拉伸，其結(jié)果如下。拉伸試樣1：抗拉強(qiáng)度(Rm)為712 MPa，伸長率(A)為4.5%。拉伸試樣2：抗拉強(qiáng)度(Rm)為797 MPa，伸長率(A)為14.0%。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中規(guī)定12Cr1MoVG鋼管抗拉強(qiáng)度(Rm)為470～640 MPa。根據(jù)計(jì)算所得，試樣的斷后伸長率應(yīng)≥20%。對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，焊縫試樣抗拉強(qiáng)度高于母材數(shù)值，焊縫試樣斷后伸長率不滿足要求。

2.3 沖擊性能試驗(yàn)

在失效焊縫金屬取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果：3個(gè)試樣沖擊吸收能量分別為12.7、46.2和23.8 J，3個(gè)試樣沖擊功平均值(KV2)為27.6 J。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》規(guī)定為其沖擊功平均值應(yīng)≥24 J，并只允許一個(gè)試樣的沖擊吸收功小于規(guī)定值24 J，但不能低于規(guī)定值的70%。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣1沖擊功12.7 J，小于規(guī)定值的70%(16.8 J)，表明該處焊縫韌性較差，脆性較高，試驗(yàn)結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 硬度試驗(yàn)

在失效焊縫上按環(huán)向間隔90°取一個(gè)測點(diǎn)，采用布氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測定，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 硬度試驗(yàn)結(jié)果

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，母材硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而焊縫的硬度值>270 HBW，超過母材布氏硬度值加100 HBW，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.5 金相檢驗(yàn)

從失效焊縫中沒有完全裂透的部位提取試樣，并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，由金相照片可以看出，開裂位置沿?zé)嵊绊憛^(qū)粗晶區(qū)由外壁向內(nèi)壁發(fā)展，沿晶開裂，主裂紋兩側(cè)存在二次裂紋，裂紋處存在氧化物。未開裂位置如圖3所示，金相組織由珠光體、鐵素體組成，珠光體區(qū)域完整，層片狀碳化物開始分散，趨于球狀化，少量碳化物分布在晶界。

2.6 斷口形貌分析

斷口宏觀形貌如圖4所示，斷口無變形痕跡，斷面平齊，呈現(xiàn)出脆性斷裂的特點(diǎn)，斷面無頓挫、無明顯宏觀塑性變形、無疲勞斷裂形貌特點(diǎn)，只有焊道痕跡以及高溫形成的氧化物。從失效焊縫中進(jìn)行斷口取樣，采用酒精、丙酮超聲波清洗之后，通過掃描電鏡進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，斷口表面已被氧化物覆蓋。對(duì)試樣斷面采取酸洗，去除表面的覆蓋物，酸洗后，其斷裂細(xì)節(jié)已模糊，但斷裂的輪廓形貌有所保留，其形貌呈現(xiàn)出脆性斷裂的特點(diǎn)。

圖4 斷口宏觀形貌

3 分析與討論

根據(jù)失效焊縫及兩側(cè)母材的合金成分分析結(jié)果可知，管道材質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求，選用焊材正確。理化試驗(yàn)結(jié)果顯示，失效焊縫斷后伸長率、沖擊吸收功不符合要求，并且焊縫硬度偏高，證明焊接接頭質(zhì)量較差。焊接接頭開裂位置位于下熱影響區(qū)粗晶區(qū)，失效焊縫斷口面無變形痕跡，斷面平整，呈現(xiàn)出脆性斷裂特點(diǎn)，主裂紋尖端是根據(jù)沿晶的走向，大量氧化物存在于主裂紋及兩側(cè)的二次微小裂紋。根據(jù)斷口形貌及裂紋特征可以判定屬于再熱裂紋。

裂紋會(huì)對(duì)承壓焊接件的使用期限與質(zhì)量造成很大的影響[1-2]，因而焊接接頭上不允許存在裂紋。裂紋的產(chǎn)生與焊接過程中組織變化和應(yīng)力產(chǎn)生相關(guān)，在焊接過程中，金屬從熔化到凝固持續(xù)到常溫冷卻，因?yàn)槿鄢丶爸車鸁嵊皡^(qū)受到溫度循環(huán)的作用，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)變化且不均勻的組織梯度區(qū)域，產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變、結(jié)晶偏析以及組織偏析[3]。此時(shí)，熱影響區(qū)與焊接熔池因?yàn)椴痪鶆虻臒釕?yīng)變，使得焊接接頭處在應(yīng)力-應(yīng)變這個(gè)復(fù)雜的狀態(tài)當(dāng)中[4-6]。因而焊接接頭中熱影響區(qū)是性能最薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)焊接接頭再次受熱，粗晶區(qū)的應(yīng)力集中部位局部變形量要超過這個(gè)部位的變形能力，由此就會(huì)有再熱裂紋產(chǎn)生且更容易產(chǎn)生于焊接接頭熱影響區(qū)。

在壁溫低于565 ℃的管道、集箱及低于580 ℃的受熱面管子中應(yīng)用廣泛的是12Cr1MoVG。12Cr1MoVG是低合金耐熱鋼，其持久強(qiáng)度以及組織穩(wěn)定性較高，并且具有良好的焊接性能，但是因?yàn)橛兄容^高的含碳量，使得其自身有著比較大的淬硬傾向，所以在施焊過程中，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱以及焊后熱處理等[7]。特別是厚壁管道、集箱，因結(jié)構(gòu)尺寸大、應(yīng)力集中高，如果有不當(dāng)?shù)暮附庸に嚺c焊后熱處理，容易產(chǎn)生硬度超標(biāo)的焊接質(zhì)量問題[8]，同時(shí)材料有著比較高的再熱裂紋敏感性，所以在集中應(yīng)力作用下，裂紋很容易產(chǎn)生[9-10]。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，不規(guī)范的焊接工藝及焊后熱處理未能有效地控制，使得斷后伸長率、沖擊吸收功不符合要求、焊縫硬度偏高，使其有著比較差的塑性變形能力，進(jìn)而增大了熱影響區(qū)以及焊縫的脆性。同時(shí)在焊后沒有充分地進(jìn)行熱處理，使得焊接接頭處的殘余應(yīng)力未有效地釋放，促進(jìn)了裂紋的形成。在剛性拘束結(jié)構(gòu)、脆性組織以及集中應(yīng)力聯(lián)合作用下，在焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)處很容易產(chǎn)生裂紋，等到裂紋擴(kuò)散到一定程度形成開裂。

綜上所述，厚壁蒸汽連接管接焊接接頭開裂的主要因素就是焊接工藝執(zhí)行不規(guī)范、焊后熱處理工藝控制不當(dāng)，使得焊接接頭發(fā)生再熱裂紋，并在鍋爐運(yùn)行中導(dǎo)致擴(kuò)展。

4 結(jié)語

根據(jù)對(duì)蒸汽管道泄漏位置的焊接接頭開裂原因分析探究結(jié)果，建議對(duì)該鍋爐與失效焊接接頭具有相同安裝工藝的厚壁管道焊縫進(jìn)行全面檢驗(yàn)，尤其重視采用超聲波檢測、硬度檢測方法及檢測結(jié)果。檢測結(jié)果中對(duì)硬度值超標(biāo)的焊接接頭進(jìn)行熱處理降低硬度值，對(duì)內(nèi)部存在超標(biāo)缺陷的焊接接頭，應(yīng)進(jìn)行缺陷消除、補(bǔ)焊并焊后熱處理。