張 軍，宮偉基

（1.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204；華電國際技術服務分公司，山東 濟南 250014）

1 概述

某電廠亞臨界300 MW機組配備DG1025/18.2—II4型鍋爐，1993年10月投產，截至2013年9月大修時，累計運行14萬h。前屏和后屏過熱器集箱均布置于爐頂大包內，前屏過熱器蒸汽通過聯絡管進入后屏過熱器入口集箱，集箱入口為三通結構，三通規(guī)格Ф406 mm×50 mm，材質為12Cr1MoV。

2013年9月大修期間，磁粉檢測發(fā)現后屏過熱器入口集箱三通焊縫存在裂紋，裂紋形態(tài)為垂直焊縫方向，采用滲透檢測方法進一步確定裂紋分布，發(fā)現2條裂紋，間隔約 50 mm，如圖1所示，分別標記為裂紋1和裂紋2，其中裂紋2貫穿整個焊縫寬度。

2 試驗結果與分析

因三通結構原因，只能對焊縫進行環(huán)向取樣，取樣包括整圈焊縫，寬度150 mm。試驗項目包括化學成分分析、顯微組織檢測、裂紋斷口檢測、力學性能檢測等。

圖1 裂紋形貌

2.1 化學成分分析

采用光譜分析方法對母材和焊縫試樣的化學成分進行了檢測，結果見表1?？梢姡覆某煞譂M足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求，焊縫成分與母材一致，材料化學成分正常。

表1 化學成分檢測結果 %

2.2 顯微組織分析

2.2.1 試樣制備

在裂紋2處制備顯微組織分析試樣，編號1號、2號、3號，如圖2所示；垂直于裂紋方向將 1號試樣切割成 3個小試樣，分別標記為 1-1、1-2、1-3，如圖3所示，其磨面為徑向。2號試樣磨面為管徑切向，3號樣磨面為軸向。遠離裂紋方向制備4號試樣，磨面為徑向。

圖2 1-3號試樣位置

圖3 1號樣分割圖

2.2.2 非金屬夾雜物檢測

根據 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》的規(guī)定，取3號試樣進行觀察，拋光態(tài)顯微形貌如圖4所示，可觀察到B類夾雜物和D類夾雜物形態(tài)；根據A法檢驗評定，B類非金屬夾雜物為 B1.5級，粗系D類非金屬夾雜物為D1.5級，細系非金屬夾雜物為D3級。

圖4 縱截面拋光態(tài)夾雜

在掃描電子顯微鏡下觀察橫向截面，非金屬夾雜物截面主要呈現圓形，如圖5所示。

圖5 橫截面掃描電鏡夾雜物（1 000倍放大）

2.2.3 顯微分析

1號試樣宏觀形貌如圖6所示，從圖中可以看出，該條裂紋存在分支，主裂紋周圍分布著其他微裂紋，主裂紋邊沿存在氧化產物，呈沿晶擴展特征，部分微裂紋起裂于焊縫外表面。

2號試樣裂紋裂紋呈現沿晶擴展特征，如圖7所示，裂紋擴展垂直熔合線方向，焊縫處的二次裂紋較少，焊縫處的組織為鐵素體、貝氏體、碳化物和少量珠光體。

圖6 1號試樣裂紋形貌（50倍放大）

圖7 2號裂紋熔合線處形貌（50倍放大）

母材金相組織為鐵素體、碳化物和珠光體，其中珠光體發(fā)生一定程度的球化，球化等級2-3級，如圖所示8。

圖8 2號試樣母材金相組織（500倍放大）

3號試樣的宏觀形貌如圖9所示，可清晰觀察到焊縫、熱影響區(qū)和母材 3個區(qū)域，在試樣焊縫左側，肉眼可見一個大夾雜物。

圖9 3號試樣形貌

4號試樣形貌如圖10所示，焊縫區(qū)域存在氣孔，某些氣孔周圍存在裂紋，裂紋貫穿整個氣孔，呈鋸齒狀擴展。

圖10 4號試樣形貌（50倍放大）

對該裂紋掃描電子顯微鏡下觀察，裂紋呈現沿晶開裂特征，裂紋周圍存在一些不連續(xù)微裂紋，微裂紋周圍分布著一些微空洞，如圖11所示。

圖11 4號試樣裂紋（500倍放大）

掃描電子顯微鏡發(fā)現該區(qū)域某些氣孔內存在夾雜，夾雜物呈球形，直徑約 400 μm，如圖12所示。

電子顯微鏡能譜檢測結果顯示該夾雜物Ca，Ti元素含量較高，如表2所示，推斷該夾雜物產生于焊接過程。

2.4 裂紋斷口檢測

打開1-2試樣觀察斷口，發(fā)現裂紋斷口表面呈現灰黑色，部分斷面覆蓋著暗紅色物質，斷面凹凸不平，如圖14。試樣經過超聲波清洗后，其斷面上的暗紅色物質未見剝離。采用化學清洗的方法，去除部分覆蓋的氧化物，在電子顯微鏡下，斷面上可見放射狀的裂紋擴展花樣，放射線起源于焊縫表面，放射花樣沿焊縫厚度方向擴展，如圖15所示。

圖12 氣孔內的夾渣（64倍放大）

表2 電子顯微鏡能譜檢測結果 %

圖14 斷口宏觀形貌

圖15 斷口微觀形貌

雖然試樣經過清洗，但裂紋斷面處氧化物依舊存在，并且覆蓋較嚴重，部分氧化物表面存在龜裂，說明試樣開裂后，裂紋的擴展經歷較長時間。

2.5 力學性能試驗

依據GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，對母材試樣進行拉伸性能試驗，取樣位置平行于焊縫，兩個拉伸試樣均在標距內斷裂，拉伸數據有效，試驗結果見表3。從表中可見，該失效焊縫強度滿足要求，但是斷后延伸率明顯低于標準要求，說明該材料經過14萬h運行后，材料強度升高，塑、韌性降低，材料變脆。

表3 拉伸試驗數據

拉伸斷口主要由剪切斷裂區(qū)和裂紋擴展區(qū)兩部分區(qū)域組成，剪切斷裂區(qū)以準解理形貌為主，斷口上存在解理臺階，如圖16所示，裂紋擴展區(qū)主要以韌窩形貌為主，如圖17所示。

圖16 剪切斷裂區(qū)（500倍放大）

根據 GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》和 GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度試驗方法》，在 3號試樣上進行顯微維氏硬度測試，測試位置如圖18所示。

標線1和 2均從焊縫中心往母材方向進行測試，表 4和表5分別為測試結果。將維氏硬度換算為布氏硬度，繪制所得的布氏硬度分布曲線如圖 19所示。

圖17 裂紋擴展區(qū)（500倍放大）

從圖19可見，標線1和標線2上布氏硬度變化規(guī)律相同，在焊縫中心區(qū)域，硬度值較高，熱影響區(qū)次之，母材處最低。比較標線1和標線2上的硬度值，發(fā)現同位置處標線 1的硬度值普遍低于標線 2，分析原因為在厚壁管的熱處理過程中，內壁加熱溫度得不到保證，熱處理效果不佳。標線1焊縫處布氏硬度的平均值為268 HB，母材處布氏硬度的平均值為179 HB；標線2焊縫處布氏硬度的平均值為286 HB，母材處布氏硬度的平均值為166 HB。

圖19 3號試樣標線1和2布氏硬度分布

標線3和標線4測試區(qū)域為母材，分別從外表面向試樣厚度方向測試，測試結果見表6和表7所示。

表4 標線1硬度測試數據

表5 標線2硬度測試數據

表6 標線3硬度測試數據

表7 標線4硬度測試數據

硬度測試結果顯示，焊縫處的硬度值均大于270 HB；標線3處母材硬度平均值為193 HB。

3 失效原因分析

后屏過熱器入口聯箱三通與支管焊縫，與其相鄰結構之間未見裝配異常，運行14萬h后出現開裂，且裂紋表面覆蓋較厚的氧化物，內部裂紋發(fā)生氧化，說明裂紋擴展時間較長。

力學性能檢測顯示材料強度滿足要求，但是塑性指標較低，不符合標準要求。

DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》“7.3.1同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，一般不超過母材布氏硬度值加100 HBW，且不超過下列規(guī)定：合金總含量＜3%時，布氏硬度值≤270 HBW”的規(guī)定，該過熱器入口集箱三通焊縫硬度超標；焊縫附近母材硬度超過DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》中規(guī)定的12 Cr1MoV鋼硬度上限（180 HB）；表明該過熱器入口集箱三通焊縫焊后熱處理不合格，將影響該焊縫的壽命。

對集箱三通焊縫的受力進行分析，集箱三通受結構應力作用，產生裂紋或損壞，應該發(fā)生在焊接接頭的熔合線區(qū)域，向周向發(fā)展；集箱三通承受介質工作壓力而產生的應力作用，產生裂紋或損壞，為軸向發(fā)展；所以分析認為，造成該過熱器入口集箱三通焊縫產生裂紋的應力主要是介質工作壓力。

顯微組織檢測顯示材料球化級別中級，微觀分析中所出現的沿晶開裂形貌、顯微空洞等，結合集箱三通焊縫產生裂紋的主要應力狀態(tài)，因此判斷該焊縫失效形式應力型蠕變脆性斷裂。

焊縫中存在較多的非金屬夾雜、大的氣孔，均加劇了材料開裂失效的速度。

4 結語

綜合試驗結果和分析，后屏過熱器入口集箱三通焊縫焊后熱處理不合格，焊縫材料提前老化，在介質工作壓力作用下，發(fā)生應力型蠕變脆性斷裂，因此對于該類型三通結構，要加強檢修期間的金屬監(jiān)督檢驗，機組啟停和運行期間盡量避免溫度壓力的大幅度波動等，保證機組安全運行。