鍋爐低溫再熱器異種鋼焊縫開裂分析

牛玉靜，胡鋒濤

(1.國家電投河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州 450000；2.潤電能源科學技術(shù)有限公司，鄭州 450000)

火電廠鍋爐受熱面管失效泄漏一直是頻發(fā)事故。低溫再熱器作為鍋爐的主要受熱面，在鍋爐運行中時常發(fā)生失效，其失效會嚴重影響鍋爐的正常運行，進而導致鍋爐非計劃停運，給電廠造成嚴重的安全及經(jīng)濟損失。

某火電廠1號鍋爐運行7 363 h后，上層低溫再熱器靠近中隔墻部位的管道發(fā)生泄漏。筆者通過現(xiàn)場檢查并在泄漏區(qū)域取樣對其性能進行分析，研究低溫再熱器失效的原因，同時提出相關(guān)處理措施。

1 泄漏處概況

該火電廠低溫再熱器泄漏管設計材質(zhì)為12Cr1MoVG，設計規(guī)格為Φ63.5×4.0(外徑為63.5 mm、厚度為4.0 mm)。泄漏處位于低溫再熱器上層管組的最上層，即爐左數(shù)第46號屏外第1根管子爐后側(cè)拉板與管子彎頭背弧面焊接處，焊縫為異種鋼焊接。泄漏處管屏結(jié)構(gòu)和拉板見圖1。

圖1 泄漏處管屏結(jié)構(gòu)和拉板

2 試驗過程

2.1 現(xiàn)場泄漏情況

焊縫泄漏形貌見圖2。由圖2可得：取下開裂的部位后，發(fā)現(xiàn)裂縫沿管子側(cè)熔合線向兩側(cè)擴展。開裂部位管子的裂縫開口較大；拉板中間的槽內(nèi)多個部位存在碰磨和擠壓的痕跡。

圖2 焊縫泄漏形貌

泄漏管將爐左數(shù)第45屏外第1根、第2根管子吹漏，將爐左數(shù)第46屏外第1根管子彎頭的爐左側(cè)中性面處吹漏(見圖3)，并且泄漏處附近多根管子被吹損減薄。

圖3 吹損管宏觀形貌

中隔墻存在明顯變形的情況(見圖4)。鍋爐最上層低溫再熱器管爐后側(cè)共安裝22套拉板，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)4套拉板焊死、13套拉板上下間距過小、1套拉板明顯變形、1套拉板方向裝反(見圖5)。

圖4 中隔墻變形照片

圖5 低溫再熱器最上層爐后側(cè)部分拉板形貌

2.2 合金成分分析

對泄漏管、拉板焊縫、拉板的合金成分進行檢測，檢測結(jié)果及其與標準要求的對比見表1，其中：12Cr1MoVG標準要求值參考GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》；E309Mo-16標準要求值參考GB/T 983—2012《不銹鋼焊條》。由表1可得：拉板焊縫的Cr含量低于標準下限，所檢測的其他成分符合標準要求。

2.3 金相分析

開裂試樣剖面形貌見圖6，裂縫兩側(cè)存在明顯臺階。

12Cr1MoV母材側(cè)焊縫附近各區(qū)域組織形貌見圖7。由圖7可得：未經(jīng)熱處理焊縫組織為奧氏體+鐵素體；近12Cr1MoV母材側(cè)熔合區(qū)由于增碳產(chǎn)生了馬氏體組織[1]，管材側(cè)過熱區(qū)為較為粗大的貝氏體組織[2]，并且存在基本平行于主裂紋的沿晶裂紋；正火區(qū)典型組織為細小的貝氏體+鐵素體[3]；母材組織為正常的鐵素體+貝氏體。

圖7 12Cr1MoV母材側(cè)焊縫附近各區(qū)域組織形貌

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)應力

開裂位置為低溫再熱器彎頭背弧面拉板角焊縫焊趾部位。開裂處拉板存在明顯的碰磨和擠壓特征，中隔墻多處存在明顯變形，22套拉板多處存在焊死及安裝狀態(tài)不符合設計要求的情況。

安裝拉板是為了提高中隔墻的剛性，避免中隔墻產(chǎn)生變形。根據(jù)設計要求，冷態(tài)下兩塊拉板間的前后、左右、上下膨脹間隙應分別留有10 mm、10 mm、38 mm。目前，中隔墻已發(fā)生明顯變形，并且拉板表面表現(xiàn)出碰磨特征，表明鍋爐在運行時中隔墻向下膨脹受阻，同時膨脹所產(chǎn)生的應力通過拉板傳遞到泄漏管。

3.2 焊接應力

一般情況下，在機組啟動后，受熱面管彎頭部位要吸收管子熱膨脹所產(chǎn)生的熱應力。但是，拉板焊接在彎頭背弧面，拉板厚度為8 mm、管子厚度為4 mm，采用奧氏體不銹鋼焊材進行焊接，拉板材料的線膨脹系數(shù)約為管子材料的1.5倍。在這種情況下，不僅會在焊接過程中產(chǎn)生殘余應力，還會在正常運行過程中形成熱應力。

3.3 試驗結(jié)論

(1)拉板焊縫Cr含量低于標準下限，所檢測其他試樣的金屬元素含量符合標準要求。

(2)母材組織未見異常。焊縫組織為焊態(tài)的奧氏體+鐵素體，未進行焊后熱處理。焊縫靠近12Cr1MoV母材熔合線附近存在因增碳而產(chǎn)生馬氏體過渡帶，該組織硬度高、塑韌性差，長期使用易開裂；同時，該組織的產(chǎn)生主要與焊材的選擇、焊接工藝的設計和執(zhí)行有關(guān)[4]。過熱區(qū)為粗大的貝氏體組織，表明焊接電流較大，并且過熱區(qū)及主裂紋附近存在沿晶裂紋。

(3)從開裂試樣剖面來看，裂縫從角焊縫焊趾部位開始開裂，基本沿著徑向擴展，并且裂縫兩側(cè)存在明顯臺階，表明開裂過程有較大的應力作用。

4 結(jié)語

(1)多處拉板存在焊死及安裝狀態(tài)不符合設計要求的問題，導致鍋爐在運行時中隔墻向下膨脹受阻，使低溫再熱器管處產(chǎn)生較大應力。建議根據(jù)設計制造要求，糾正安裝狀態(tài)不符合設計要求的拉板，并且聯(lián)系鍋爐設計制造單位，解決中隔墻膨脹不暢及變形的問題。

(2)拉板與低溫再熱器間焊縫的焊接質(zhì)量不佳，焊縫熔合區(qū)存在明顯馬氏體過渡帶，并且母材過熱區(qū)存在沿晶微觀裂紋缺陷，在鍋爐運行過程中復雜應力的作用下導致微觀裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^裂紋，最終造成受熱面泄漏。