电站锅炉管焊缝开裂原因分析及建议

朱旺

四川广安发电有限责任公司  四川 广安   638000

摘要：电站锅炉“四管泄露”是造成火电机组非计划停运的最重要因素之一，根据某集团统计，“四管泄露”占机组非计划停运51%，其中焊缝裂纹造成的泄漏占比26.8%，成为影响机组安全稳定运行，保障供电安全的主要因素。因此深入分析锅炉四管泄露原因，制定对应防控措施，显得尤为迫切。下面对某电厂锅炉再热器服役后对接焊缝开裂泄露原因进行分析并提出预防控制措施。

关键词：电站；锅炉管；焊缝开裂

某电厂锅炉是亚临界中间一次再热自然循环汽包炉，炉型为HG1025/17.4-YM28，型布置，单炉膛平衡通风，四角切圆燃烧，固态排渣。锅炉主要参数如下：最大蒸发量1025t/h，过热器出口蒸汽温度541℃，过热器出口压力17.40MPa，再热蒸汽进/出口温度330/541℃，再热蒸汽进/出口压力3.917/3.737MPa，给水温度282.3℃。该锅炉于2006年上半年投运，至2019年泄漏时累计运行9.1万小时。发生泄漏的是屏式再热器夹持管，爆口位置位于炉膛右侧第12屏夹持管入口段标高41米处焊口处。为分析屏式再热对接焊缝开裂原因，进行了宏观检查、硬度试验、金相组织分析等。

1 试验

1.1 宏观检查及几何尺寸测量

再热器管子材料为12Cr1Mo VG，规格为 。宏观检查管子外壁上侧母材焊缝熔合线附近存在沿圆周长约81mm的裂纹，约占整个管子周长的五分之二，管子内壁裂纹长度约为76mm，裂纹形貌如图1、2所示，由此可以判断裂纹起源于外壁，并沿周向向内壁扩展。沿管样纵向剖开，裂纹由外壁熔合线附近产生，垂直于管样表面沿壁厚方向向内壁扩展。

图1 管样外观形貌示意图 

图2 管样内壁裂纹形貌 

用游标卡尺对管样壁厚和外径进行测量，数据表明焊缝两侧管样的壁厚未见减薄，外径未见明显胀粗。

1.2 化学成分分析

对泄露口焊缝及母材取样进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》12Cr1Mo VG的技术要求。

表1 爆口焊缝及母材的化学成分

1.3 布氏硬度试验

将泄露管的焊缝及母材取样加工成硬度测试试样，按照《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》GB/T231.1-的规定，采用UH250布洛维硬度计测试，试验结果见表3。从表中可以看出泄露管母材上下侧硬度值、焊缝硬度值符合《火力发电厂金属技术监督规程》DL/T 438-对12Cr1Mo VG的母材硬度135～195HB，焊缝硬度值不大于母材硬度+100HB且小于270HB的技术要求。

表2 布氏硬度测试结果

1.4 拉伸试验

截取泄露管母材管段不同部位，加工成全壁厚纵向弧形拉伸试样3件，采用CMT5105微机控制电子万能试验机，按照《金属材料拉伸试验第1部分室温试验方法》GB/T 228.1-的规定进行拉伸试验，试验结果见表3。拉伸性能测试结果表明，受检试样拉伸性能符合《高压锅炉用无缝钢管》GB/T 5310-标准技术要求。

表3 拉伸性能测试结果    

1.5 金相检查

沿泄露管母材、泄露口开口最大处和泄漏口裂纹尖端截面切取金相样品3件，浸蚀剂为4%硝酸酒精溶液，金相试样在Axio Observer A1m金相显微镜下观察，泄露口附近两侧母材和焊缝的金相组织均为铁素体+珠光体，球化级别为3级，金相组织正常，如图3、图4所示。

图3 母材金相组织 

图4 焊缝金相组织 

裂纹主要分布于焊缝热影响区，裂纹起源于管子外表面，裂纹附近晶粒粗大，沿着原奥氏体晶界不断向内表面扩展，具有典型的再热裂纹特征，如图5所示。

图5 裂纹尖端形貌 

2 分析与讨论

12Cr1Mo VG钢属珠光体低合金耐热钢，具有较高的热强性和持久性，普遍用于制造壁温小于570℃的受热面管子，壁温小于555℃的集箱、蒸汽管道，以及锅炉大型锻件等。依靠Cr、Mo合金元素固溶强化，依靠所含的V与碳结合形成VC等碳化物弥散强化，使其保持较高的组织结构稳定性和持久强度。该钢焊接性能良好，但在某种条件下有一定裂纹倾向。Cr-Mo (-V）耐热钢的基本成分为Cr、Mo，均为碳化物形成元素，有析出强化作用，随着Cr、Mo含量增大再热裂纹倾向增大，在低Cr-Mo钢中添加V会显著增大再热裂纹倾向，如果焊接时焊缝拘束应力大、预热温度偏低、焊接线能量偏大、焊后热处理参数不当等,极易形成再热裂纹。

从泄露口的宏观检查结果看，爆口处管径无明显胀粗，爆口边缘粗糙无过热现象。化学成分分析结果表明，送检样品材料成分符合GB/T 5310-2017的技术要求。爆管口的硬度和拉伸性能符合相关标准对12Cr1Mo VG的技术要求。爆口附近两侧母材和焊缝的金相组织均为铁素体+珠光体，金相组织正常，无明显老化迹象。裂纹起源于外表面，主要分布于焊接热影响区，裂纹附近晶粒粗大，沿原奥氏体晶界开裂，向内壁不断扩展，属于典型的再热裂纹。经查，该焊缝爆口为2009年2号锅炉供热改造时的现场安装焊口，施工时因空间狭小，存在强力对口情况，且该管为夹持管应力较大，经长时间的高温运行后，在焊缝熔合线处形成外表面裂纹，不断扩展导致泄漏。

3 意见及建议

3.1再热器管泄露主要原因为焊接工艺不当，在较高应力条件下和长期运行过程中，再热裂纹从焊缝表面熔合线区域产生，进一步扩展导致发生泄漏。

3.2为防止类似再热裂纹缺陷产生导致泄露，应避免强行对口降低焊接应力，并对焊接工艺优化，如适当提高预热温度，GTAW焊前预热温度控制在150℃～200℃，SMAW焊前预热温度为250℃左右。层间温度≤300℃，并加强保温效果。焊后消应力处理应及时进行，其加热速度及保温温度应尽量避免12Cr1Mo V钢产生再热裂纹敏感的温度区间500℃～700℃，保温时间宜按壁厚适当延长。

3.3结合检修对再热器管焊缝采用渗透或磁粉进行表面检验，发现裂纹及时割管处理。

参考文献

[1]高鹏里.超超临界锅炉水冷壁风险评估与管理探讨[j]浙江电力，2014(1):47­50.

[2]赵建仓.超超临界锅炉12Cr1Mo VG钢集箱角接头再热裂纹原因分析及焊接工艺优化[j]第九届电站金属材料学术年会，2011.09, 310­314.

[3]高建峰.浅析锅炉四管爆破问题及对策[J].中国特种设备安全，2007, 23(7):40­45.

[4]郑坊平,张红军,林琳,宋少平.调峰机组水冷壁管焊缝背火侧开裂原因分析[j]热加工工艺，2020(19):154­157.