電站鍋爐12Cr1MoVG+TP347H異種鋼接頭管的開裂原因分析

韓光海

（神華國能寶清煤電化有限公司，黑龍江雙鴨山 155600）

0 引言

某火電廠#2機組鍋爐是由上海鍋爐廠設計制造的亞臨界、額定功率為330 MW的直流鍋爐，鍋爐末級過熱器管的設計出口溫度為540℃。

2018年5月，該鍋爐末級過熱器管出現(xiàn)泄漏爆管。泄漏的末過管材質(zhì)為12Cr1MoVG+TP347H的異種鋼接頭管，管段規(guī)格?54×9 mm。管子開裂泄漏位置位于焊縫處，泄漏后溢出的高壓蒸汽對其周邊管段造成了吹損，導致其周邊管段也出現(xiàn)爆管。至爆管發(fā)生時，鍋爐累計運行時間約10萬h。為查找異種鋼接頭管的開裂原因，防止后續(xù)泄漏爆管的發(fā)生，對該開裂泄漏的異種鋼末過管段取樣進行了理化性能檢驗并分析。

1 試驗內(nèi)容及結(jié)果

1.1 宏觀檢查

失效管段開裂位置宏觀形貌如圖1所示。裂口沿12Cr1MoVG側(cè)熔合線呈狹長的縫隙狀開裂。裂縫長度約占整個環(huán)焊縫周長的一半。焊縫附近管段未見明顯的脹粗，管段表面因受到臨近破裂管段氣流反吹，出現(xiàn)光滑的吹損凹坑，且兩處位置已出現(xiàn)邊緣鋒利的破口。將管段沿破裂的焊縫位置縱向剖開可見，該焊縫存在明顯的錯口，12Cr1MoVG側(cè)內(nèi)壁還出現(xiàn)氧化皮剝落。

圖1 泄漏管外壁及內(nèi)壁宏觀形貌

1.2 化學成分分析

表1為開裂管焊縫兩側(cè)母材取樣化學成分分析結(jié)果。結(jié)果可見，焊縫兩側(cè)母材化學成分均符合標準要求。

1.3 硬度測試

接頭兩側(cè)母材硬度如表2所示，兩側(cè)硬度值均符合DL/T 438-2016對相應鋼種硬度要求。

表1 化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）%

表2 硬度檢驗結(jié)果

1.4 金相檢驗

12Cr1MoVG側(cè)母材金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，晶粒度7～8級，如圖2（a）所示。TP347H側(cè)母材組織為奧氏體+孿晶，晶粒度5～7級，如圖2（b）所示，兩側(cè)母材均未見明顯的過熱老化特征。焊縫組織為奧氏體枝晶，焊縫中存在多處氣孔，如圖2（c）、2（d）所示，部分氣孔邊緣較尖銳。焊縫沿12Cr1MoVG側(cè)熔合線開裂，裂紋內(nèi)部氧化嚴重，在裂紋內(nèi)還能看到由裂紋表面向焊縫內(nèi)部形成的微裂紋，如圖2（e）所示。在裂紋尖端附近未開裂的區(qū)域內(nèi)，熔合線位置存在明顯的偏析，如圖2（f）所示。

圖2 接頭管微觀形貌

1.5 熔合區(qū)微區(qū)分析

在裂紋尖端未開裂的熔合區(qū)偏析區(qū)域進行顯微硬度測試，結(jié)果如圖3所示?？梢?，黑色偏析區(qū)域的硬度值顯著高于白色偏析區(qū)域。

表3 熔合區(qū)能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）%

圖3 熔合區(qū)硬度測試結(jié)果（HV0.02）

對熔合區(qū)的偏析區(qū)域進行掃描電鏡半定量能譜分析，結(jié)果如表3及圖4所示。結(jié)果顯示，黑色偏析區(qū)域的碳含量顯著高于白色區(qū)域，表明該位置已形成明顯的脫碳層和增碳層。

圖4 能譜分析結(jié)果譜線圖

2 分析討論

接頭管開裂焊縫兩側(cè)母材化學成分及布氏硬度均符合相關標準要求。開裂焊縫附近管段未見明顯脹粗或塑性變形，金相組織也未見明顯的老化特征，可排除管段長時超溫或短時超溫過熱導致開裂的可能性[1-2]。裂縫附近表面光滑，兩處爆口邊緣呈鋒利的刀刃狀，為明顯的吹損減薄而導致的爆管[3]，而焊縫位置裂口為最早開裂泄漏的破口。

焊縫存在明顯錯口，且金相檢驗發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部有多處氣孔，部分氣孔較大且邊緣尖銳。少量球形顯微氣孔對接頭的性能影響較小，但當氣孔數(shù)量較多，尤其是呈密集型出現(xiàn)時，會割裂基體的連續(xù)性，降低接頭的實際承載面積。尖銳的氣孔邊緣有可能在高溫高壓的環(huán)境下形成微裂紋并擴展。另外，焊縫兩側(cè)還存在明顯的錯口，也會在蒸汽流動時加劇焊縫熔合區(qū)的應力集中程度。上述焊接缺陷（或缺欠）促進了接頭的破壞。

開裂管沿12Cr1MoVG側(cè)熔合線開裂，裂紋內(nèi)部氧化嚴重，且形成較多向焊縫內(nèi)部擴展的微裂紋?？梢?，熔合區(qū)的抗氧化性能已明顯降低。在未開裂的焊縫區(qū)域，12Cr1MoVG側(cè)熔合區(qū)存在明顯偏析，能譜分析表明該偏析區(qū)域存在脫碳層和增碳層，其中12Cr1MoVG側(cè)形成脫碳層，而焊縫側(cè)則形成增碳層。12Cr1MoVG與奧氏體不銹鋼采用奧氏體焊材焊接后，在焊后熱處理或高溫下長期運行中，由于12Cr1MoVG與焊材碳含量的差異，形成了碳元素的擴展，導致熔合區(qū)12Cr1MoVG母材側(cè)形成一層脫碳軟化層，而焊縫側(cè)則形成增碳硬化層[4]。軟化層和硬化層的形成會降低接頭的蠕變性能，在高溫下長期運行時，在殘余應力及熱應力共同作用下，容易在該熔合區(qū)產(chǎn)生蠕變裂紋或蠕變破壞[5]。此外，12Cr1MoVG和奧氏體焊縫金屬線膨脹系數(shù)相差較大，接頭溫度變化時會在熔合區(qū)產(chǎn)生熱應力，對裂紋形成有一定的促進作用[6]。

3 結(jié)束語

（1）接頭長期高溫使用后，焊縫熔合區(qū)形成了脫碳層和增碳層，降低了接頭的蠕變性能，是裂紋形成的主要原因。12Cr1MoVG和奧氏體焊縫金屬線膨脹系數(shù)相差較大，接頭溫度變化時會在熔合區(qū)產(chǎn)生熱應力，也促進了裂紋的形成。

（2）焊縫氣孔、錯口等焊接缺陷，使得接頭更容易產(chǎn)生應力集中，也在一定程度上加速了接頭的開裂。