刘天佐 张永法

摘 要：本文针对某电厂300MW供热机组中温过热器焊缝开裂问题，进行了宏观检查、硬度试验、金相组织检验及扫描电镜微观形貌分析，最终确定中温过热器焊缝开裂的主要原因是应力腐蚀开裂。

关键词：应力腐蚀；中温过热器；焊缝开裂；原因分析

中图分类号：TK226 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）15-0166-02

1 概述

某电厂300MW供热机组于2006年10月投产运行，中温过热器材料为12Cr1MoVG、规格φ51×5mm，出口集箱管座规格φ51×8mm，数量116根。2018年9月6日锅炉泄漏，停炉后检查中温过热器出口管道直管段焊缝开裂数量约22根，主要在炉子左侧，中心线右侧有三根焊缝开裂，带弯头的集箱管座未开裂，集箱管座与密封盒焊接，未留安装密封盒膨胀节，接头管开裂位置如图1所示。抽取三段有代表性的接头管分析开裂原因，取样接头管宏观照片如图2所示。

2 试验内容

（1）宏观检查发现，编号为7#、13#的两根管段在接头焊缝附近有开裂，编号37#的管段未发现明显的宏观裂纹。为使裂纹更清晰可见，将三根管段进行渗透着色检测（PT检测），7#管表面存在一条较为明显的裂纹，裂纹主要沿焊缝熔合线环向开裂；13#管表面出现多条裂纹，部分裂纹穿过焊缝或母材；37#管外壁表面未见明显的裂纹显示。

将管段纵向剖开，对管段内壁宏观检查，如图3-图5所示。7#和13#管内壁熔合线附近能发现多条裂纹，裂纹沿熔合线或靠近熔合线的热影响区平行于焊缝环向分布；焊缝在内壁侧成型较差，局部位置能看到轻微咬边缺陷。37#管内壁表面未发现明显的裂纹。

在上述剖开管段内外壁表面同时进行PT检测，由图可见，7#和13#管内壁裂纹数量和长度明显大于外壁侧，内壁侧裂纹均位于焊接接头熔合线位置或熔合线附近的母材热影响区，且内壁裂纹的开裂宽度大于外壁裂纹。由此可见，两接头管段裂纹由内壁侧的熔合线位置或母材热影响区生成，向外壁侧扩展，最终穿透整个管段厚度。37#管内外壁表面均未发现明显的裂纹存在。

（2）化学成分分析结果表明，三根取样接头管薄壁侧母材取样化学成分均符合GB 5310对12Cr1MoVG钢管化学成分要求。

（3）三根取样管薄壁侧母材取样横截面布氏硬度测试结果表明，取样管布氏硬度值均符合DL/T 438标准对12Cr 1MoV钢管硬度要求。

表1为三根管焊缝维氏硬度检验结果，根据DL/T 869规定：“同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布氏硬度值加100（HBW），且不超过下列规定：合金总含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW；合金总含量小于10%，且不小于3%，布氏硬度值不大于300HBW。”可见，上述接头焊缝硬度值均高于厚壁侧母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T 869标准的规定。

（4）薄壁侧母材管取样金相检验，结果表明，三管段母材基体组织均为铁素体+贝氏体，内壁侧有轻微脱碳，局部区域有少量显微凹坑和轧折，但深度较小。

三管段接头两侧母金相检验结果表明，金相组织相同，厚壁侧显微组织为铁素体+珠光体，薄壁侧显微组织为铁素体+贝氏体；焊缝显微组织为少量铁素体+贝氏体，焊缝与两侧母材熔合良好，未发现气孔、夹渣等缺陷；7#和13#管均存在多条裂纹，且主裂纹边上有较多的二次裂纹分叉现象，具备应力腐蚀开裂特征；裂纹扩展方式为穿晶+沿晶混合形式；根据二次裂纹方向可以判定，上述裂纹均为内壁侧向外壁侧扩展，如图6-图8所示。

（5）扫描电镜微观形貌分析，7#、13#两管内壁裂纹附近均有较多的氧化产物，且有较多微裂纹存在，且两管段裂纹附近内壁侧腐蚀产物中均有Na、Al、P等元素存在。

3 分析与讨论

取样管7#、13#内壁侧熔合线附近均存在多条裂纹，裂纹主要位于焊缝熔合线或母材热影响区，沿熔合線或热影响区平行于焊缝环向开裂；根据内外壁裂纹宏观形貌对比可以看出，两接头管裂纹均由内壁侧的熔合线位置或母材热影响区生成，向外壁侧扩展，并最终穿透整个管壁。焊缝在内壁侧成型质量较差，局部位置能看到轻微咬边缺陷。咬边会减少焊缝位置母材的有效承截面积，并且在咬边位置引起应力集中，特别是低合金高强钢的焊接，咬边的边缘组织被淬硬，易引起裂纹。

接头管母材化学成分及硬度值均符合相关标准规定，可基本排除开裂侧母材不合格导致开裂的可能性。

接头维氏硬度试验结果表明，焊缝硬度值显著高于两侧母材硬度值，且均高于厚壁侧母材硬度值加100（HBW），超出了DL/T869标准的规定，表明焊接工艺控制不佳。

三管段薄壁侧母材基体显微组织均为铁素体+贝氏体，内壁侧有轻微脱碳，局部区域有少量显微凹坑和轧折，但深度较小。厚壁侧显微组织为铁素体+珠光体。焊缝与两侧母材熔合良好，未发现气孔、夹渣等缺陷；7#和13#管均存在多条裂纹，且主裂纹边上有较多的二次裂纹分叉现象，具备应力腐蚀开裂特征；裂纹扩展方式为穿晶+沿晶混合形式；根据二次裂纹方向可以判定，上述裂纹均为内壁侧向外壁侧扩展。

扫描电镜微观观察可见，两开裂管段内壁裂纹附近均有较多的氧化产物，且有较多微裂纹存在。对裂纹附近近内壁侧腐蚀产物进行能谱分析显示，腐蚀产物中均有Na、Al、P等元素存在。经排查煮炉药液的成分为氢氧化钠和磷酸三钠可知，上述Na、Al、P等元素在裂纹附近内壁侧附着，为煮炉过程中饱和蒸汽携带的碱液所致。

结合图1，开裂管段均位于中温过热器出口集箱的直管座上，而在带弯头的管座位置未发现开裂。结合锅炉结构分析，在管段受热变形时，管段在轴向的伸缩变形受限，导致焊缝接头位置产生较高的拘束应力。带弯头的管座由于有弯头的应力释放作用，相比直管座拘束应力要低。焊缝本身焊接质量不佳，包括内壁侧熔合线位置存在咬边等缺陷、焊缝硬度过高等，也在一定程度上造成了熔合线及热影响区产生较高的附加应力。在上述应力和碱液的共同作用下，最终导致焊缝沿熔合线及母材热影响区等薄弱环节开裂。

4 结论及建议

通过对裂纹管宏观检验及各项理化性能检验，得出如下结论：

接头开裂原因为，在煮炉过程中，该位置结构应力大，且焊接质量不佳使得接头位置产生了较高的附加应力，在较高的应力及碱液的共同作用下，最终导致接头应力腐蚀开裂。

针对上述分析，建议如下：

（1）优化锅炉密封结构，尽量降低开裂管段位置由于管段热胀冷缩产生的拘束应力。（2）扩大对现有相同结构及相邻位置焊缝的检测，利用超声、相控阵等手段对接头位置进行裂纹检测，对发现裂纹的焊缝及早处理。（3）提高焊接质量，严格控制焊接工艺，降低接头位置残余焊接应力。（4）煮炉期间，加强对汽包液位监视和汽水分离控制，坚决避免碱液漫入过热器，也尽量减少饱和蒸汽携带碱液量。

参考文献

[1] 张栋，钟道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：国防工业出版社，2013：132.