高溫過(guò)熱器出口集箱管座焊接接頭開(kāi)裂原因

朱海寶，陳卓婷，白 佳，郭延軍，劉 明，田力男，喬立捷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

在我國(guó)長(zhǎng)期服役的超臨界機(jī)組中，鍋爐受熱面“四管”泄漏事故時(shí)有發(fā)生，此類(lèi)事故造成的機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)占到非計(jì)劃停機(jī)事件總數(shù)的30%左右。鍋爐受熱面中的高溫過(guò)熱器出口集箱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高過(guò)出口集箱)管座焊接接頭因服役條件惡劣，極易發(fā)生不明原因失效，嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且頻繁的搶修給發(fā)電企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人力消耗[1]。

2020年5月，在某電廠600 MW超臨界燃煤鍋爐A檢修期間，對(duì)高過(guò)出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中40根管座焊接接頭表面存在裂紋缺陷。鍋爐型號(hào)為DG1913/25.4-II3，于2007年投產(chǎn)發(fā)電，截至檢修時(shí)，已累計(jì)運(yùn)行約9.2×104h。集箱管座焊接接頭材料均為SA-335P/T91鋼，管屏最外圈規(guī)格為φ51 mm×9.5 mm，其他規(guī)格為φ45 mm×8.5 mm，共33屏，每屏共20根；焊接方法主要為鎢極氬弧焊和手工電弧焊，焊接后經(jīng)760 ℃高溫回火處理。管接頭內(nèi)部介質(zhì)為水蒸氣，溫度為571 ℃，壓力為25.1 MPa。為了找到管座焊接接頭開(kāi)裂的原因，防止類(lèi)似問(wèn)題再次發(fā)生，作者對(duì)高過(guò)出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行失效分析[2]，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 裂紋宏觀形貌

采用MP-A2L型交流磁軛磁粉檢測(cè)儀對(duì)高過(guò)出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)40根管座焊接接頭的裂紋主要分布在高過(guò)出口集箱爐后側(cè)管座焊接接頭上半圈距離熔合線(xiàn)1～2 mm位置處，該區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)粗晶區(qū)[3-4]，裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。其中1根管座焊接接頭的磁粉探傷結(jié)果如圖1所示，可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)管座焊接接頭上的裂紋距熔合線(xiàn)約1.6 mm，裂紋長(zhǎng)約2/5圈，其余部位未見(jiàn)明顯脹粗、變形、鼓包等特征。

圖1 管座焊接接頭裂紋宏觀形貌Fig.1 Crack macromorphology of welded joint of pipe socket

1.2 應(yīng)力分布

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)部分管座焊接接頭切割后，采用鋼板尺對(duì)管子的偏移量進(jìn)行測(cè)量，表中管座編號(hào)11-15表示爐左數(shù)第11排爐前數(shù)第15根，且11-15管座為無(wú)裂紋管座，其余為含裂紋管座。由表1可以看出：開(kāi)裂管座焊接接頭切割后的偏移量在33～57 mm之間，說(shuō)明開(kāi)裂管座焊接接頭應(yīng)力較大；無(wú)裂紋管座焊接接頭切割后的偏移量為2 mm，偏移量較小，說(shuō)明該管座焊接接頭整體附加應(yīng)力較小。

表1 切割管座焊接接頭后管子的偏移量

利用有限元分析軟件建立高過(guò)出口集箱及管屏三維模型，管座區(qū)域網(wǎng)格加密，單元尺寸為2 mm×2 mm，假定計(jì)算狀態(tài)為運(yùn)行熱態(tài)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)切割時(shí)管子的偏移量設(shè)置端部位移邊界條件，考慮運(yùn)行狀態(tài)下的蒸汽參數(shù)(溫度571 ℃，壓力25.1 MPa)，將集箱中性面固支，對(duì)管座區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，在運(yùn)行狀態(tài)下，管座焊接接頭處存在一定的應(yīng)力集中區(qū)，且管座焊接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)的拉應(yīng)力最大，最大值為240 MPa，該位置與實(shí)際開(kāi)裂位置一致。

圖2 模擬得到運(yùn)行狀態(tài)下失效管座區(qū)域的應(yīng)力云圖 Fig.2 Contour of stress of failed pipe socket area under operation condition by simulation

1.3 裂紋微觀形貌和顯微組織

在編號(hào)11-15、11-18管座焊接接頭裂紋附近截取金相試樣，經(jīng)磨拋后，用由5 g三氯化鐵、50 mL鹽酸、100 mL水組成的溶液腐蝕，采用DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出：裂紋最寬處的寬度約為0.4 mm，裂紋從管外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為6.5 mm，裂紋兩側(cè)組織出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋長(zhǎng)期受到高溫氧化作用，主裂紋尖端組織中出現(xiàn)了微裂紋?？芍?，該管座焊接接頭發(fā)生高溫蠕變開(kāi)裂。與未服役的新管組織相比，熱影響區(qū)粗晶區(qū)中馬氏體板條位向嚴(yán)重分散或消失，僅有少量仍保留馬氏體板條形態(tài)，板條界、晶界處碳化物增多，且主要呈球狀、串鏈狀，按照DL/T 884-2019標(biāo)準(zhǔn)判斷組織的老化級(jí)別為4.5級(jí)。焊縫區(qū)域的馬氏體板條位向明顯分散，板條內(nèi)分布的碳化物減少，晶界碳化物增多，尺寸粗化，呈顆粒狀，組織的老化級(jí)別為3級(jí)；母材未經(jīng)焊接熱循環(huán)作用，馬氏體板條位向分散，板條內(nèi)分布的碳化物減少，板條界、晶界碳化物粗化，有的呈串鏈狀，組織的老化級(jí)別為3.5級(jí)；內(nèi)壁蒸汽側(cè)氧化層可分為外層、中間層和內(nèi)層3個(gè)區(qū)域，這是由氧分壓隨氧化層深度降低所致[5]，氧化層總厚度在450～496 μm，內(nèi)部可見(jiàn)明顯脫碳層。編號(hào)11-15未開(kāi)裂管座焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)粗晶區(qū)、母材區(qū)組織老化級(jí)別與編號(hào)11-18開(kāi)裂管座接頭的相應(yīng)區(qū)域基本相同，無(wú)明顯差異。

圖3 編號(hào)11-18開(kāi)裂管座焊接接頭裂紋微觀形貌及附近的顯微組織Fig.3 Crack micromorphology (a) and microstructures near crack (b-e) of No.11-18 fractured pipe socket welded joint:(b) heat affected zone coarse grain area; (c) weld area; (d) base metal and (e) inner wall oxide layer

1.4 顯微硬度

采用402MVD型維氏硬度計(jì)對(duì)編號(hào)11-15、11-18管座焊接接頭處的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試，載荷為0.98 N，保載時(shí)間為15 s，測(cè)試位置為焊縫區(qū)域、裂紋區(qū)域和未經(jīng)焊接熱循環(huán)的母材區(qū)域。由表2可以看出：2根管座焊縫平均硬度分別為202，207 HV，母材平均硬度分別為196，191 HV，裂紋區(qū)域即熱影響區(qū)粗晶區(qū)的平均硬度分別為164，167 HV。按照GB/T 1172-1999和DL/T 438-2016，焊縫和母材區(qū)域的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微硬度結(jié)果與組織老化評(píng)級(jí)相對(duì)應(yīng)，即隨著組織老化級(jí)別的增加，顯微硬度降低。

2 失效原因分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知：高溫過(guò)熱器出口集箱40根管座焊接接頭上半圈位置大多存在表面裂紋，裂紋位于距熔合線(xiàn)1～2 mm的熱影響區(qū)粗晶區(qū)，部分裂紋長(zhǎng)度已達(dá)6.5 mm，主裂紋尖端組織中可見(jiàn)明顯蠕變微裂紋特征；管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)經(jīng)歷了1 100～1 300 ℃焊接熱循環(huán)作用，以及隨后約760 ℃的高溫回火作用，組織粗大，在長(zhǎng)期高溫條件下服役后，組織加速老化，馬氏體板條位向嚴(yán)重分散或消失，碳化物發(fā)生Ostwald熟化，呈球狀、串鏈狀分布在晶界、板條界處[6-8]，老化等級(jí)為4.5級(jí)。焊縫區(qū)和母材組織的老化級(jí)別分別為3級(jí)和3.5級(jí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫服役后，管座焊接接頭焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織的老化級(jí)別明顯高于焊縫和母材。管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度為164～167 HV，低于標(biāo)準(zhǔn)要求，這與熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織老化有關(guān)。

表2 不同管座焊接接頭不同區(qū)域的顯微硬度

開(kāi)裂管座焊接接頭切割后管子的偏移量在33～57 mm之間，可知開(kāi)裂管座服役時(shí)存在較大附加應(yīng)力。管座表面的附加應(yīng)力為二次應(yīng)力，主要來(lái)自安裝基建階段管屏和集箱管接頭現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)力對(duì)口所產(chǎn)生的應(yīng)力，還來(lái)自管屏現(xiàn)場(chǎng)不合理的吊裝卸載工序使焊接接頭表面產(chǎn)生的集中應(yīng)力。為滿(mǎn)足整體變形協(xié)調(diào)條件，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)或相鄰件連接部位及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生的附加應(yīng)力的最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于3倍材料許用應(yīng)力[9]。A335/T91鋼在571 ℃工作溫度下的許用應(yīng)力為91 MPa，管座焊接接頭的最大拉應(yīng)力為240 MPa，小于3倍許用應(yīng)力273 MPa，但剩余的安全余量有限。

綜上所述，在基建安裝階段高過(guò)出口集箱管座焊接接頭存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中管座焊接接頭上半圈應(yīng)力集中最明顯，剩余安全余量有限。在長(zhǎng)期高溫服役啟停調(diào)峰過(guò)程中，管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織老化程度明顯大于母材和焊縫區(qū)域，高溫力學(xué)性能明顯下降。在附加二次應(yīng)力的作用下，微裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力集中處萌生；隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋內(nèi)基體組織脫碳，焊接接頭中形成高溫蠕變裂紋。

3 結(jié) 論

(1) 在長(zhǎng)期高溫服役過(guò)程中，高溫過(guò)熱器出口集箱管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織老化嚴(yán)重，老化等級(jí)達(dá)到4.5級(jí)，高溫力學(xué)性能明顯下降，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝強(qiáng)力對(duì)口等施工不當(dāng)造成管屏附加二次應(yīng)力集中；在附加二次應(yīng)力的作用下，微裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力集中處萌生。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，裂紋內(nèi)基體組織脫碳，焊接接頭發(fā)生高溫蠕變開(kāi)裂。

(2) 建議在設(shè)計(jì)制造階段采用加強(qiáng)型管座接頭，并嚴(yán)格控制焊接熱輸入，降低熱循環(huán)作用范圍；現(xiàn)場(chǎng)安裝階段應(yīng)避免強(qiáng)力對(duì)口等施工不當(dāng)造成管座接頭處產(chǎn)生附加二次應(yīng)力；在服役檢修期，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管座焊接接頭的質(zhì)量檢查，必要時(shí)采用割管進(jìn)行應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)室理化性能檢驗(yàn)，應(yīng)重視焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織性能評(píng)估。