某電廠暖管管線泄漏原因分析

王艷芳* 張雪濤 楊偉東

（中國石油獨(dú)山子石化分公司研究院）

0 引言

熱電廠高溫管線長期在高溫環(huán)境下運(yùn)行，其產(chǎn)生泄漏的原因很多，除腐蝕、材質(zhì)劣化外，焊接部位缺陷造成管道泄漏的情況也居多。12Cr1MoVG 材料多用于熱電廠高溫管線，其耐熱抗氧化性能和可焊接性能較好，但其屬于再熱裂紋敏感性材料，焊接工藝、焊后熱處理參數(shù)不當(dāng)或焊接殘余應(yīng)力過高，會導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展，直至斷裂失效。

2020 年2 月，電廠人員發(fā)現(xiàn)3#機(jī)主汽暖管管線接管座焊縫泄漏，暖管管線規(guī)格為 42 mm×5 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG，工作壓力為8.83 MPa，工作溫度為540 ℃左右，介質(zhì)為水蒸氣。泄漏的暖管管線自2009 年使用至今，該管線僅在3#機(jī)主蒸汽管線汽輪機(jī)啟用時使用，一般用于停工檢修，且管線正常運(yùn)行期間無蒸汽流動。為了查明泄漏原因，避免類似事故再次發(fā)生，對產(chǎn)生泄漏的暖管管線進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

在3#機(jī)主汽暖管管線與接管座管線對接焊縫處（如圖1 所示），可見一條沿焊縫周向開裂的裂紋，裂紋靠近主汽暖管管線側(cè)，裂紋邊緣尖銳、無分枝開叉，管外壁裂紋長度約占管周長的1/2。將送檢暖管縱向剖開后（如圖2 所示），發(fā)現(xiàn)裂紋緊鄰焊縫位置，裂紋部位內(nèi)壁處焊瘤高出母材表面約3 mm。接管座管線在近焊縫部位產(chǎn)生了明顯變徑，變徑處最小壁厚為3.5 mm，其他部位壁厚為5.0 mm。

圖1 3#機(jī)主汽暖管管線泄漏位置

圖2 內(nèi)壁處泄漏部位裂紋及焊瘤

1.2 成分分析

對3#機(jī)主汽暖管管線制備光譜分析試樣，使用德國SPECTRO Lab. M11 型固定式光譜儀對其進(jìn)行了成分分析，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 暖管管線成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

根據(jù)成分分析結(jié)果及成品化學(xué)分析允許偏差, 3#機(jī)主汽暖管管線化學(xué)元素分析結(jié)果滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG 化學(xué)元素含量要求。

1.3 力學(xué)性能測試

在3#機(jī)主汽暖管管線母材、焊縫及熱影響區(qū)部位取樣，使用430SVD 型數(shù)顯維氏硬度計(jì)選取三點(diǎn)進(jìn)行了維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可見表2。

表2 暖管管線縱截面硬度對比(HV10/10)

該主汽暖管管線于2009 年投用，因此依據(jù)GB 5310—2008 標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行評定，該標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG 材料無硬度要求，因此硬度檢驗(yàn)結(jié)論僅供參考； GB/T 5310—2017 標(biāo)準(zhǔn)中12Cr1MoVG 硬度要求為135 ～195(HV10/10)，因此母材樣品硬度值滿足要求。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，同種鋼焊接接頭硬度不超過母材布氏硬度值加100 HB（維氏硬度為100 HV），本次檢驗(yàn)焊縫硬度偏高。

1.4 金相檢驗(yàn)

對3#爐暖管管線的母材部位、焊縫及熱影響區(qū)部位取樣,并觀察其中的金相組織。接管座母材部位金相組織為鐵素體+珠光體，帶狀組織分布，碳化物已經(jīng)開始分散，按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV 鋼球評級標(biāo)準(zhǔn)》珠光體球化度評級為2.0級，如圖3 a）所示；焊縫部位金相組織為貝氏體+少量鐵素體，碳化物分布不均勻，晶粒較粗大，如圖3 b）所示；熱影響區(qū)(近接管座)部位金相組織為貝氏體+少量鐵素體，碳化物分布不均勻，內(nèi)壁處發(fā)現(xiàn)一條裂紋，裂紋附近有多條沿晶分布顯微裂紋，如圖3 c）所示，外壁處存在一條較粗的裂紋，裂紋產(chǎn)生于焊縫根部熔合線附近粗晶區(qū),沿晶界擴(kuò)展，終止于熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)，裂紋附近高倍數(shù)下能觀察到微裂紋，如圖3 d）所示、圖3 e）所示；疏水管母材部位金相組織為鐵素體+碳化物顆粒，碳化物聚集長大，大部分聚集在晶界處及其附近，按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 773—2016 珠光體球化度評級為4.0 級,其內(nèi)壁存在脫碳現(xiàn)象，如圖3 f）所示。

圖 3 管道不同部位樣品金相組織

2 分析和討論

該暖管裂紋產(chǎn)生于焊縫熔合區(qū)，沿?zé)嵊绊憛^(qū)粗晶區(qū)擴(kuò)展，終止于熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)，晶間呈現(xiàn)開裂特征[1]，拋光態(tài)下可以觀察到顯微裂紋不連續(xù)、呈斷續(xù)狀，具有典型的再熱裂紋特征。同時，12Cr1MoV 本身屬于 Cr-Mo-V 低合金耐熱鋼，含有一定的沉淀強(qiáng)化元素，具有再熱裂紋敏感性，近焊縫區(qū)金屬在高溫?zé)嵫h(huán)作用下,強(qiáng)化相碳化物沉積在晶內(nèi)的位錯區(qū)上,使晶內(nèi)強(qiáng)化強(qiáng)度大大高于晶界,由于應(yīng)力松弛而帶來的塑性變形主要由晶界來承擔(dān)[2],于是,晶界應(yīng)力集中,就會產(chǎn)生裂紋。

管道內(nèi)壁裂紋處存在焊瘤，并緊鄰裂紋部位，其高度自裂紋中心向周圍遞減，最大高度約為3 mm。焊瘤的存在使焊接殘余應(yīng)力增大且集中，且焊瘤減小了管道內(nèi)徑尺寸，造成管內(nèi)蒸汽在該處流動不暢，使該處短時溫度急劇升高的持續(xù)時間增長，加劇了裂紋的萌生及擴(kuò)展。

該暖管焊縫直管段受力情況分析如下。

（1）暖管管線一端接主蒸汽管線，一端連接90°彎頭，彎頭連接直管垂直于地面（如圖1 所示），中間直段無其他固定支架，僅依靠該段管道彎頭和主蒸汽管自然固定支撐。主蒸汽管道的工作溫度為540 ℃，工作壓力為8.83 MPa，在長期運(yùn)行過程中，由于主蒸汽溫度高，沿水平管道軸向產(chǎn)生較大的膨脹量，焊接接頭處需承受來自水平直段管道的軸向推力。焊口附近存在剪切應(yīng)力集中現(xiàn)象；同時在機(jī)組多次啟停過程中，管線由于溫度、工作壓力突然升高使整個管線熱膨脹，造成管道內(nèi)外側(cè)分別承受壓應(yīng)力拉應(yīng)力，且停機(jī)過程中冷縮等變形同樣產(chǎn)生應(yīng)力，也是造成焊接接頭裂紋的原因[3]。

（2）管道保溫及啟停過程中沿管壁厚度方向溫度梯度遞減，使焊接接頭處應(yīng)力不均，這對裂紋產(chǎn)生有影響。

（3）不同厚度焊接接頭間的應(yīng)力影響為：焊接部位輸水管厚度約為5 mm，接管座焊接部位厚度約為3.5 mm，屬于不等厚接頭焊接，焊接接頭在焊后收縮時產(chǎn)生角變形,這種角變形是由于焊縫金屬接頭幾何尺寸不對稱而引起偏心力矩導(dǎo)致的,因此,不等厚接頭在焊接接頭坡口處承受附加彎矩的作用。焊接接頭部位同時承受著拉伸應(yīng)力的作用。這兩種力的作用加劇了裂紋擴(kuò)展[3]。

3 建議

（1）檢修期間應(yīng)嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，重點(diǎn)對其他焊接部位的焊接質(zhì)量進(jìn)行全面管控，并對焊口進(jìn)行無損檢測。

（2）從再熱裂紋特征分析得出，再熱裂紋產(chǎn)生在熱影響區(qū)粗晶區(qū)，并伴有不同程度的應(yīng)力集中，可見，產(chǎn)生再熱裂紋的必要條件是熱影響區(qū)粗晶區(qū)和應(yīng)力集中同時存在，因此焊接時應(yīng)該嚴(yán)格按照工藝要求施焊，確保焊接質(zhì)量，從而減小應(yīng)力集中程度。

4 結(jié)論

由于管道結(jié)構(gòu)、啟停運(yùn)行時產(chǎn)生的溫差、焊接后產(chǎn)生較大焊瘤及焊接接頭部位存在不等厚度焊接等原因，暖管焊區(qū)存在較大殘余應(yīng)力，并且焊接接頭薄弱缺陷區(qū)應(yīng)力較為集中情況，焊接接頭薄弱部位存在晶間再熱微裂紋，從而使裂紋萌、生擴(kuò)展直至貫穿至管道內(nèi)壁。