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        電站鍋爐過熱器接頭管開裂原因分析

        2018-07-25 08:18:16馬豎
        金屬加工(熱加工) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:補焊過熱器母材

        ■ 馬豎

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        1. 概述

        某電廠2號鍋爐是從日本三菱重工成套引進的機組,于1983年11月投入運行。鍋爐結(jié)構(gòu)為半露天型式,可以混燒高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和煤,最大持續(xù)出力1160t/h,額定功率350MW。2017年12月,電廠對該鍋爐一級過熱器進行改造,改造后的機組啟停不久即發(fā)生一級過熱器管開裂泄露。一級過熱器管母材材質(zhì)為12Cr1MoV,運行溫度約400℃,泄露位置位于U形彎水平段的同種鋼焊接接頭處。

        泄露處焊縫為現(xiàn)場安裝焊縫,采用的焊接工藝為GTAW工藝,焊前未進行預(yù)熱,焊后未進行回火熱處理。為了查明管段開裂原因,防止過熱器管再次泄露或爆管發(fā)生,電廠隨后將泄露管割下,對泄露管和臨近的一段未泄露的對比管進行了各項檢測分析。

        2. 試驗方法和結(jié)果

        (1)宏觀檢查 圖1為泄露管和對比管焊接接頭宏觀形貌,按照管子在鍋爐的原始位置,將泄露管和對比管分別編號為18-5和17-3。檢查發(fā)現(xiàn),泄露管18-5焊接接頭熔合線位置存在一環(huán)向裂紋,裂紋開口較小,長度約90mm。裂紋中部有一段長約25mm,由裂紋內(nèi)凸出且顏色發(fā)亮的線狀金屬物。對比管17-3在焊縫附近有吹損減薄特征,但未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。泄露管及對比管在焊縫附近均存在一定的彎度。

        (2)化學(xué)成分分析 表1為泄露管18-5和對比管17-3接頭兩側(cè)母材取樣化學(xué)成分分析結(jié)果。結(jié)果表明,兩管段母材取樣化學(xué)成分均滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV鋼化學(xué)成分要求。

        圖1 焊接接頭宏觀形貌

        表1 化學(xué)成分

        (3)力學(xué)性能測試 根據(jù)試驗需要分別對兩管段不同位置取樣,進行室溫和高溫(400℃)拉伸試驗、焊接接頭室溫沖擊性能試驗、以及母材和焊接接頭硬度測試。其中焊接接頭沖擊試驗中,由于壁厚限制,試樣采用2.5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣。各項試驗結(jié)果分別如表2~表4所示。

        由表2~表4試驗結(jié)果可見,各取樣位置室溫及高溫(400℃)拉伸性能均滿足GB 5310對12Cr1MoV鋼性能要求。泄露管焊縫的沖擊韌性相對明顯較低,表明接頭位置脆性較大。對比管兩側(cè)母材及焊接接頭硬度,以及泄露管接頭兩側(cè)母材硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但泄露管焊縫的硬度值超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值。

        (4)金相組織檢驗 圖2為泄露管18-5焊接接頭及附近母材取樣微觀組織形貌。接頭一側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體(見圖2a),另一側(cè)母材組織為鐵素體+珠光體+貝氏體(見圖2b),組織正常。焊縫組織為貝氏體,組織較為粗大(見圖2c),裂紋位于熱影響區(qū)粗晶區(qū),開裂特征為典型的沿晶開裂(見圖2e)。亮白色線狀金屬呈近似倒三角形嵌于裂紋中(見圖2f)。

        圖3為對比管取樣的微觀組織形貌。接頭兩側(cè)母材(見圖3a、圖3b)組織均為鐵素體+珠光體+貝氏體,組織正常。焊縫(圖3c)組織為貝氏體,焊縫內(nèi)可見多處沿晶微裂紋。

        表2 室溫及高溫(400℃)拉伸試驗結(jié)果

        表3 室溫沖擊試驗結(jié)果

        表4 接頭維氏硬度試驗結(jié)果 (HV)

        圖2 泄露管取樣微觀組織形貌

        圖3 對比管取樣微觀組織形貌

        (5)掃描電鏡(及能譜分析) 將開裂泄露管沿裂紋位置打開,置于掃描電鏡下進行斷口形貌進行觀察,如圖4所示。結(jié)果表明,斷口各區(qū)域均為典型的沿晶斷口特征,斷口靠近外壁側(cè)的氧化程度略重于內(nèi)壁側(cè)的氧化程度,從斷口各區(qū)域的氧化程度并結(jié)合斷面上隱約可見的擴展放射線判斷,裂紋的主擴展方向應(yīng)為由外壁側(cè)向內(nèi)壁側(cè)擴展。

        3. 試驗結(jié)果分析

        綜上理化檢驗結(jié)果,泄露管裂紋中部有一段長約25mm、由裂紋內(nèi)向外凸出的亮白色線狀金屬物,線狀金屬截面呈倒三角形,嵌在裂紋內(nèi),與基體熔合較差。這些特征表明,該線狀金屬區(qū)初始可能存在未熔合缺陷,發(fā)現(xiàn)后未按規(guī)程進行補焊。補焊時存在補焊區(qū)域未經(jīng)清理,焊絲錯用等問題,導(dǎo)致了補焊金屬和基體間熔合不良,補焊區(qū)呈現(xiàn)為凸起的線狀發(fā)亮金屬物。該區(qū)域也成為應(yīng)力集中區(qū),機組啟機運行后,裂紋即在此處萌生并快速擴展至發(fā)生泄漏。

        裂紋位于粗晶區(qū),表現(xiàn)為典型的沿晶開裂裂紋特征,符合再熱裂紋的位置特征和形貌特征。12Cr1MoV鋼為鉻鉬系低合金珠光體耐熱鋼,焊接性能優(yōu)良,在580℃以下具有較好的抗氧化和耐蝕性能,廣泛應(yīng)用于我國電站鍋爐的過熱器、再熱器、蒸汽管道等高溫部件。但12Cr1MoV鋼中合金元素均為碳化物形成元素,有析出強化作用,容易在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)產(chǎn)生再熱裂紋。

        圖4 接頭斷口宏觀和微觀形貌

        綜合分析表明,此次爆管是由于該管段存在焊接缺陷,機組運行后,在焊接缺陷位置發(fā)生了再熱裂紋的萌生和快速擴展。值得一提的是,焊前無預(yù)熱處理,以及焊接熱過程中熱輸入量過大(表現(xiàn)為焊縫晶粒粗大)等因素也會促進再熱裂紋的萌生。

        泄露管18-5焊縫硬度偏高,韌性不足,以及晶粒粗大的問題,這是由于施工環(huán)境氣溫較低(上海市11月份,溫度約15℃),焊前未進行預(yù)熱處理,焊后冷速過快造成的。同時,晶粒粗大也表明了焊接時存在焊接熱輸入量過大的問題。

        而關(guān)于對比管17-3焊縫內(nèi)存在較多的沿晶裂紋,從裂紋特征以及分布位置來看,該裂紋屬于焊接熱裂紋。焊縫一次結(jié)晶組織的晶粒越粗大,結(jié)晶方向性越強,就越容易促使夾雜偏析,在結(jié)晶后期越容易形成連續(xù)的液態(tài)共晶薄膜,增加熱裂紋的傾向。焊接接頭溫度分布不均勻,冷卻速度過快,以及接頭厚度較大或受到拘束較強時,焊接熱裂紋較容易產(chǎn)生。

        4. 結(jié)論和建議

        通過上述檢驗結(jié)果及分析,導(dǎo)致泄露管開裂的原因為,原始焊接缺陷引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致了泄露管接頭位置裂紋萌生,裂紋在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)以再熱裂紋的形式進行擴展,最終導(dǎo)致接頭位置開裂泄露。對比管焊縫中較多的沿晶裂紋為焊接時工藝控制不當(dāng)(如熱輸入過大、焊縫冷速過快等)導(dǎo)致的焊接熱裂紋。

        (1)對同類型的接頭進行監(jiān)督運行,如條件允許建議定期進行普查,避免超標(biāo)缺陷或微裂紋擴展引起的爆管。

        (2)在后期施工中,特別是環(huán)境溫度較低時,建議增加焊前預(yù)熱及焊后熱處理工序,并控制好焊接熱輸入量,以確保達到優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

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