高温再热器出口联箱管座角焊缝开裂原因分析

邓辉

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，郑州 450000)

0 引言

近年来，火电机组重要管道和高温集箱上热工仪表管、疏水管及排空气管等管座角焊缝开裂泄漏事故频繁发生[1]。多数开裂是由焊接缺陷引起的，同时还与管线布置、管道材质等因素有关[2-5]。由于接管与母管具有相同的压力和温度，所以一旦发生泄漏，会对机组安全运行造成严重影响。

某电厂#4锅炉检修期间发现高温再热器(以下简称高再)出口联箱排空气管管座角焊缝存在表面裂纹缺陷，采取挖补修复措施后，运行约6 000 h后角焊缝再次开裂，发生蒸汽泄漏。

1 设备概况

该电厂#4锅炉为东方锅炉股份有限公司生产的DG1025/18.2-Ⅱ14型亚临界锅炉，于2003年12月投入运行，至2017年12月已累计运行约9万h，启停63次。高再出口联箱布置在标高51.2 m处，穿过炉顶大罩，规格为877.6 mm×55.0 mm，材质为12Cr1MoVG。在炉外距护板约1 m处联箱的上侧，连接有一根排空气管，规格为ø42 mm×6 mm，材质为12Cr1MoVG。

2 检查情况

2.1 宏观检测

排空气管管座角焊缝开裂形貌如图1所示。从图1可以看出，该管座在高再出口联箱上侧，通过包墙开孔延伸进炉膛内，开孔较小。机组运行时排空气管沿A-A向的膨胀受阻，导致管座角焊缝受A-A向的反向拉应力。角焊缝开裂方向与膨胀受阻方向一致，且此次开裂位置与上次检修时发现的裂纹位置相同，说明排空气管穿过包墙处结构设计不合理。

对开裂管座进行取样(如图1b所示)，分别为原焊缝未补焊未开裂处试样1、补焊边界裂纹尖端处试样2、补焊中间完全开裂处试样3，试样经打磨、抛光、腐蚀后形貌如图2所示。从图2可以看出，试样1未进行挖补，原焊缝中存在气孔等缺陷；试样2虽然进行了挖补，但焊缝中原焊接缺陷并没有挖除干净，裂纹沿着补焊熔合线扩展但未完全断裂，有细小裂纹延伸入热影响区；试样3同试样2形貌相似，但裂纹由熔合线延伸入12Cr1MoVG基体一侧的热影响区后完全开裂，这可能与裂纹扩展方向刚好与应力方向垂直有关；由图2d所示的试样3断口宏观形貌可见，断口处存在夹渣等焊接缺陷。

图1 排空气管管座角焊缝开裂形貌Fig.1 Morphology of crack on the fillet weld of the ventilation tube socket

图2 试样经腐蚀后宏观形貌Fig.2 Morphology of different corroded samples

2.2 光谱检验

使用XL3t980合金分析仪对断裂的管样材质进行光谱分析，光谱分析结果见表1。管座原焊接材质为R317，补焊材质为镍基焊材Inconel82。由表1可知，光谱检验结果符合DL/T 991—2006《电力设备金属光谱分析技术导则》[6]、DL/T 869—2012《火力发电厂焊接技术规程》[7]及《焊接手册》要求[8]。

2.3 硬度检验

使用HV-1000A显微硬度计对试样2的管座母材进行显微硬度检测，测量结果为112，112，111 HB，低于DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》要求的135～197 HB。

2.4 金相检验

对裂纹尖端试样2的母材、热影响区、原焊缝区、补焊区进行金相组织观察，如图3所示。由图3可见：12Cr1MoVG侧母材组织为铁素体+珠光体，仅有少量的珠光体区域，碳化物明显聚集长大呈颗粒状，部分碳化物分布在晶界及其附近，晶界上碳化物呈链状分布，老化4级(如图3a所示)；12Cr1MoVG侧热影响区细晶区为铁素体+贝氏体，组织正常(如图3b所示)；管座原焊缝区组织为铁素体+贝氏体，组织正常(如图3c所示)；管座补焊区组织为奥氏体，组织正常(如图3d所示)。

表1 取样管光谱检验结果Tab.1 Optical testing results of samples %

图3 试样2各区域组织形貌Fig.3 Morphology of different regions of sample 2

对试样2裂纹附近组织进行金相检验，选定图2b中的A，B区域。从图4可以看出，裂纹附近组织无异常，裂纹沿12Cr1MoVG侧热影响区和焊缝分界线即熔合线延伸，且在B区域热影响区存在细小的疲劳裂纹。

2.5 扫描电镜分析

采用QUANTA-650型扫描电子显微镜对试样2的裂纹起源A区进行扫描电镜观察，检验结果如图5所示。相关研究表明，在焊接接头熔合良好的情况下，540 ℃高温长时间运行过程中，焊缝金属元素会向母材区域发生扩散，即熔合线毗邻母材金属的区域内应含有一定量的Ni元素[9]。从图5可以看出，在靠近裂纹熔合线毗邻12Cr1MoVG侧母材区域内，Ni元素含量极少，并无Ni元素的过渡区，说明开裂起源处存在熔合不良的情况。

图4 试样2裂纹附近组织形貌Fig.4 Morphology near the crack of sample 2

图5 试样2熔合线附近开裂起源处形貌及元素分布线状图Fig.5 Morphology and elements distribution line map of sample 2 at crack origin area near fusion line

3 开裂原因分析

造成#4锅炉高再出口联箱排空气管管座角焊缝开裂的原因如下。

(1)原焊缝缺陷未挖除干净；采用镍基焊材进行补焊，补焊工艺不当，存在坡口熔合不良、气孔等焊接缺陷。

(2)此次开裂位置与上次检修时发现的裂纹缺陷位置相同，结合护板开孔形貌，排空气管穿过包墙处开孔较小，使排空气管膨胀受阻，导致管座角焊缝受反向拉应力。

补焊工艺不当，焊接质量不佳，存在坡口熔合不良等焊接缺陷，在膨胀应力、焊接残余应力等因素作用下，首先在外壁发展成裂纹，然后沿熔合线由外向内扩展，最后向排空气管12Cr1MoVG侧热影响区扩展撕裂，导致角焊缝开裂，发生蒸汽泄漏。

4 处理建议

(1)修整炉墙护板上排空气管穿孔尺寸，保证排空气管自由膨胀。

(2)采用局部挖补方法处理焊缝缺陷时，应将缺陷挖除干净，补焊后应进行无损检测。局部挖补只能作为一种临时措施，应尽快择机对管座整体进行重新焊接，并采用合适的焊接材料和工艺。