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      低溫再熱器彎頭耳板角焊縫開(kāi)裂原因分析

      2019-01-23 07:02:10
      中國(guó)電業(yè)與能源 2018年12期
      關(guān)鍵詞:晶區(qū)耳板貝氏體

      目前,很多電站鍋爐的尾部受熱面低溫再熱器、低溫過(guò)熱器都采用了耳板懸掛的形式固定。由于耳板并非直接承壓部件,所以在生產(chǎn)制造過(guò)程中未引起足夠重視,沒(méi)有嚴(yán)格按照技術(shù)工藝進(jìn)行生產(chǎn),導(dǎo)致承壓管道失效,出現(xiàn)泄漏情況。

      事情經(jīng)過(guò)

      某公司1號(hào)爐是東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1100/17.4-Ⅱ3型號(hào)的單汽包、自然循環(huán)、循環(huán)流化床燃燒方式鍋爐,額定蒸發(fā)量1100噸/小時(shí),過(guò)熱蒸汽出口溫度541攝氏度,出口壓力17.4兆帕。該鍋爐于2012年11月23日投入商運(yùn),自2013年1月6日低再上管組上管圈下彎頭耳板角焊縫發(fā)生第一次泄漏至5月8日,共發(fā)生4次泄漏,泄漏位置分別是左數(shù)第 50、52、39、74 排。在第2次發(fā)生泄漏后,經(jīng)過(guò)分析泄漏試樣,認(rèn)為焊接質(zhì)量是造成低再泄漏的原因之一。

      2014年6月機(jī)組小修后進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)低再左數(shù)第36、46排有漏點(diǎn),漏點(diǎn)位置還是低再?gòu)濐^耳板角焊縫處。經(jīng)滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低再耳板角焊縫沿管側(cè)熔合線開(kāi)裂,對(duì)其相鄰的其他管排角焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋缺陷。將有宏觀裂紋的第36排、未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的第37排及制造廠新加工低再?gòu)濐^角焊縫進(jìn)行對(duì)比分析,再次分析裂紋產(chǎn)生原因及新彎頭是否能滿足使用要求。

      由于位置較隱蔽,每次泄漏都看不見(jiàn),摸不到,因此采用內(nèi)窺鏡對(duì)其他部位進(jìn)行檢查,由于現(xiàn)場(chǎng)灰塵較大且不易清理,均未發(fā)現(xiàn)其他彎頭角焊縫存在裂紋缺陷。

      2014年8月利用停機(jī)時(shí)機(jī),將低再上管組外共102根彎頭全部進(jìn)行了更換,自2014年9月4日投運(yùn)后至今未再發(fā)生泄漏。

      設(shè)備概況

      尾部煙道由規(guī)格為 Φ63.5×7毫米、材質(zhì)為SA-210C膜式中隔墻隔成前后兩個(gè)煙道,前煙道布置了三組規(guī)格為Φ70×5毫米、材質(zhì)自上而下為 12Cr1MoV、15CrMo、20G 的低溫再熱器,后煙道布置有四組低溫過(guò)熱器。

      低再通過(guò)焊接在第一管組上管圈下彎頭的耳板吊在中隔墻隔上,支撐和固定低溫再熱器管排。該彎頭與中隔墻過(guò)熱器的間距為70毫米,距最上一根管的距離為1000毫米,距該管組最下一根管的距離為1100毫米,低再管排間距為70毫米。

      管子材質(zhì)為 12Cr1MoV/Φ70×5 毫米,耳板材質(zhì)為1Cr20Ni14Si2,厚度為10毫米,支撐點(diǎn)距管彎頭距離為12毫米。

      低再出口汽溫在460攝氏度左右,低再煙氣溫度在820攝氏度左右。

      試驗(yàn)結(jié)果

      滲透檢驗(yàn)結(jié)果

      彎頭滲透探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn),36號(hào)彎頭耳板與管子角焊縫熔合線一側(cè)有長(zhǎng)約100毫米的裂紋痕跡顯示,裂紋連續(xù),沒(méi)有張口,沿著角焊縫與管子母材熔合線開(kāi)裂。另一側(cè)及37號(hào)彎頭未見(jiàn)其他缺陷。觀察耳板角焊縫發(fā)現(xiàn)焊縫波較粗糙,且存在一定的咬邊現(xiàn)象,說(shuō)明未認(rèn)真遵守焊接規(guī)范。

      化學(xué)成分分析

      使用3460直讀光譜儀對(duì)管子及耳板進(jìn)行化學(xué)成分分析,可以看出結(jié)果符合GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoVG的要求,并且3根管子的化學(xué)成分差異不大。36號(hào)彎頭、37號(hào)彎頭耳板的C、S、P含量比新管彎頭耳板偏高,在不銹鋼中C、S、P一般為雜質(zhì),應(yīng)盡量控制,特別是S含量一般控制在0.030%以下,P含量一般控制在0.045%以下。

      金相組織

      使用OLYMPUS-GX71金相顯微鏡對(duì)彎頭焊縫及附近母材、熱影響區(qū)進(jìn)行金相觀察,金相取樣見(jiàn)圖1、圖2、圖3,采用4%硝酸酒精和王水腐蝕,從3個(gè)試樣腐蝕后的橫截面觀察,36號(hào)彎頭試樣上有3條明顯的裂紋,除了已經(jīng)開(kāi)裂的裂紋1外,在旁邊還發(fā)現(xiàn)裂紋2,在另一側(cè)還發(fā)現(xiàn)裂紋3。其他兩個(gè)試樣宏觀未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

      圖1 36號(hào)彎頭金相試樣

      圖2 37號(hào)彎頭金相試樣

      圖3 新管彎頭金相試樣

      36號(hào)彎頭試樣裂紋1、裂紋2、裂紋3在管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū),靠近焊縫,沿晶開(kāi)裂,裂紋1、3內(nèi)均可見(jiàn)氧化皮,說(shuō)明開(kāi)裂時(shí)間較長(zhǎng),裂紋附近組織為粗大貝氏體,12Cr1MoVG與不銹鋼焊縫之間熔合線有一條明顯的增碳層,有的地方較寬,最大達(dá)到0.08毫米,除3條明顯的裂紋外,還有部分微裂紋開(kāi)裂后向焊縫延伸,多數(shù)終止于熔合線,沒(méi)有向焊縫延伸。

      從裂紋2的擴(kuò)展路徑看,擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)裂紋分支,但很快分支裂紋終止,并且出現(xiàn)類似擠壓的碎塊,具有疲勞擴(kuò)展特征。

      在36號(hào)彎頭試樣耳板側(cè)熱影響區(qū)位置也發(fā)現(xiàn)存在沿晶開(kāi)裂,沒(méi)有明顯擴(kuò)展,耳板金相組織為奧氏體,未見(jiàn)孿晶。

      37號(hào)彎頭試樣雖然沒(méi)有宏觀裂紋,但在金相顯微鏡下觀察,在圖2的6、7位置也發(fā)現(xiàn)沿晶開(kāi)裂裂紋均在管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū),靠近焊縫,近表面位置,裂紋附近金相組織為粗大的貝氏體,熔合線也有一條明顯的增碳層。裂紋尖端可見(jiàn)晶界呈鏈狀聚集。

      從37號(hào)彎頭試樣裂紋產(chǎn)生位置分析,此類管側(cè)熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生于粗晶區(qū),近表面位置,在運(yùn)行中沿著應(yīng)力方向擴(kuò)展,一端向管內(nèi)壁延伸,一端沿著熔合線向表面擴(kuò)展,最終完全裂開(kāi),導(dǎo)致管子泄漏。

      在37號(hào)試樣耳板側(cè)熱影響區(qū)位置(圖2中位置8、9),也發(fā)現(xiàn)存在沿晶開(kāi)裂,沒(méi)有明顯擴(kuò)展,耳板金相組織為奧氏體,未見(jiàn)孿晶。

      36、37號(hào)彎頭試樣管側(cè)母材金相組織均為鐵素體+貝氏體,貝氏體球化2.5級(jí),未見(jiàn)明顯異常。焊縫組織均為奧氏體,樹(shù)枝狀結(jié)晶。

      新管彎頭試樣金相觀察未見(jiàn)微裂紋,管側(cè)母材金相組織為鐵素體+貝氏體,貝氏體球化2級(jí),未見(jiàn)明顯異常。與36、37號(hào)彎頭試樣相比,打底焊縫組織為方向性回火馬氏體;蓋面焊縫組織為回火貝氏體。管側(cè)熱影響區(qū)金相組織熔合線上沒(méi)有明顯增碳,粗晶區(qū)組織鐵素體+貝氏體,耳板側(cè)熱影響區(qū)金相組織耳板側(cè)沒(méi)有微裂紋。

      電鏡試驗(yàn)

      對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行能譜成分分析,定量分析結(jié)果見(jiàn)表1,由于樣品斷口不符合能譜定量分析條件,定量分析結(jié)果僅供參考。從表1可以看出,36、37號(hào)彎頭焊縫處檢測(cè)區(qū)域的化學(xué)成分為含高Cr、Ni的鐵基金屬,推測(cè)為不銹鋼焊材;新管彎頭焊縫蓋面層的化學(xué)成分為含 Cr、Mo、V 等的低合金鐵基金屬,推測(cè)為低合金焊材,但是焊縫打底層為含中Cr、Ni的鐵基金屬,不同于蓋面層。新管彎頭焊縫打底、蓋面應(yīng)是采用不同的焊接材料,焊接工藝不同于36、37號(hào)彎頭焊縫。

      對(duì)37號(hào)彎頭管側(cè)熱影響區(qū)裂紋進(jìn)行電鏡觀察發(fā)現(xiàn),裂紋在熱影響區(qū)沿晶開(kāi)裂及擴(kuò)展,在裂紋尖端表現(xiàn)為微孔聚合,最終導(dǎo)致晶界開(kāi)裂,形成裂紋。

      新樣管檢驗(yàn)結(jié)果

      金相分析表明管側(cè)母材金相組織為鐵素體+貝氏體,未見(jiàn)異常;耳板側(cè)母材金相組織為奧氏體,未見(jiàn)孿晶,焊縫組織分為兩層,打底焊縫組織為方向性回火馬氏體,蓋面焊縫組織為回火貝氏體,與能譜分析結(jié)果推測(cè)一致;焊縫熔合線未見(jiàn)增碳、脫碳層,熱影響區(qū)均未見(jiàn)明顯裂紋。與舊彎頭比較,采用了不同焊接材料,即使同一個(gè)焊縫,打底所用的焊接材料和蓋面所用的焊接材料也不相同,應(yīng)是改變了焊接工藝。

      試驗(yàn)結(jié)果分析

      從37號(hào)彎頭金相分析結(jié)果及電鏡高倍觀察結(jié)果可見(jiàn),管側(cè)裂紋均產(chǎn)生于管側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū),近表面位置,沿晶開(kāi)裂,在粗晶區(qū)沿著奧氏體晶界擴(kuò)展,形成較多不連續(xù)的晶間微裂紋,并非從管子表面起裂,說(shuō)明裂紋源在管子熱影響區(qū)粗晶區(qū)。從36號(hào)彎頭已完全裂開(kāi)的裂紋形態(tài)分析,微裂紋形成后,在結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作用下,沿著應(yīng)力方向擴(kuò)展,一端向管內(nèi)壁延伸,具有疲勞擴(kuò)展的特征,一端沿著熔合線向表面擴(kuò)展,最終完全裂開(kāi),導(dǎo)致管子泄漏。

      管側(cè)焊縫熱影響區(qū)裂紋附近金相組織為粗大貝氏體,熔合線上可見(jiàn)很窄的增碳帶,脫碳帶不明顯。說(shuō)明碳遷移不嚴(yán)重,不是產(chǎn)生裂紋的原因。

      從37號(hào)彎頭發(fā)現(xiàn)的微裂紋形態(tài)分析,裂紋發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū),裂紋是沿著熔合線母材側(cè)的奧氏體粗晶晶界擴(kuò)展,沿晶開(kāi)裂,裂紋尖端有微孔聚合特征,從產(chǎn)生位置分析,此類裂紋均產(chǎn)生在近表面,此處的焊接應(yīng)力和應(yīng)力集中較為明顯,從材質(zhì)分析,裂紋產(chǎn)生在管側(cè)粗晶區(qū)12Cr1MVG側(cè),該材料近年來(lái)發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)生再熱裂紋的傾向,因此認(rèn)為該裂紋屬于再熱裂紋,是彎頭開(kāi)裂的內(nèi)部原因。

      表1 焊縫部位能譜定量分析結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wt%)

      從低再?gòu)濐^的結(jié)構(gòu)上分析,耳板直接焊接在低再?gòu)濐^背弧上,彎頭背弧存在壁厚減薄、不圓等現(xiàn)象,再加上低再管排在運(yùn)行中因?yàn)榕蛎洰a(chǎn)生左、右位移,對(duì)耳板產(chǎn)生一個(gè)彎矩,導(dǎo)致對(duì)角焊縫會(huì)形成了一個(gè)拉應(yīng)力,從36號(hào)彎頭裂紋后期擴(kuò)展走向可以看出,裂紋擴(kuò)展方向是與應(yīng)力方向垂直的,因此該結(jié)構(gòu)應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展的外部因素。

      管側(cè)材料的化學(xué)成分符合GB5310-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoV要求,管側(cè)母材橫截面的金相組織為鐵素體+貝氏體,未見(jiàn)異常。焊接材料采用的不銹鋼焊條,焊縫金相組織為樹(shù)枝狀結(jié)晶奧氏體,未見(jiàn)異常。

      耳板側(cè)材料為含鉻、鎳的奧氏體不銹鋼,化學(xué)成分C、S、P含量偏高,易與Ni形成低熔點(diǎn)化合物或共晶,導(dǎo)致晶界弱化,容易產(chǎn)生沿晶裂紋,這與在金相試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的耳板側(cè)熱影響區(qū)沿晶裂紋相吻合,但是由于耳板較厚,并且不銹鋼材料韌性較好,因此該裂紋沒(méi)有明顯擴(kuò)展。

      結(jié)論

      1.焊接產(chǎn)生的再熱裂紋是導(dǎo)致低再?gòu)濐^開(kāi)裂的內(nèi)在原因,使角焊縫產(chǎn)生了裂紋源。

      2.焊接熱輸入量大、焊接電流大,造成熱影響區(qū)組織粗大是造成再熱裂紋產(chǎn)生的主要原因之一。

      3.焊縫金屬選用強(qiáng)度較高,管材抗塑性變形能力低,是造成裂紋產(chǎn)生和管側(cè)熱影響區(qū)開(kāi)裂泄漏,導(dǎo)致早期失效的主要原因之一。

      4.新彎頭焊縫檢驗(yàn)結(jié)果均正常,組織未見(jiàn)異常,采用低配R317焊條為同種鋼焊接,對(duì)減少再熱裂紋的產(chǎn)生有一定作用。耳板側(cè)由于異鋼焊接,但由于耳板較厚,并且不銹鋼材料韌性較好,裂紋擴(kuò)展較慢,能較有效避免泄漏。

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