12Cr1MoV钢焊接接头开裂原因分析

徐卫仙

(华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

某电厂的660 MW超超临界燃煤汽轮发电机组的锅炉由东方锅炉股份有限公司生产，型号为DG1929.7/28.25-II13，投入商业运行2 000 h左右时，发现大包内高温再热器入口管屏左数78屏前数第7根管12Cr1MoV钢基建焊缝有粗大裂纹。

为确保机组正常运行，对开裂的高温再热器12Cr1MoV钢入口管进行了取样检测，分析其开裂的原因，提出了避免发生类似事故的措施。

1 试验材料与方法

高温再热器入口集箱为垂直管圈结构，管子材料为12Cr1MoV钢，其示意图如图1所示。DL/T 869—2012 火力发电厂焊接技术规程第5.4.4b规定，对壁厚小于8 mm的12Cr1MoV钢管道可不进行焊后热处理。高温再热器入口管产生的焊接裂纹(见图2)有如下特征：裂纹产生于投产运行约2 000 h左右；裂纹产生于管子的熔合线处，沿熔合线周向扩展。

图1 高温再热器管屏示意图

为揭示高温再热器入口管12Cr1MoV钢焊接接头开裂的原因，对开裂处的管子(φ51 mm×4 mm)进行了取样分析。

图2 开裂高温再热器入口管的宏观形貌

2 试验结果及分析

2.1 宏观检验

对开裂的高温再热器入口管进行了宏观检验,其形貌如图3所示，分A、B两个断面，均较平齐，无明显塑性变形，表面氧化明显，无金属光泽，断口附近管壁无明显减薄和胀粗现象。A断面位置1与2之间为热影响区，断口平齐，有少量塑性变形，氧化明显，无金属光泽，说明裂纹产生后在高温蒸气作用下产生了氧化皮[1]。剩余区域为焊缝，断口粗糙，有典型的撕裂断口特征。断口表面放射线收敛于位置3与2之间(靠近3)，并集中收敛于外表面，可初步判断焊缝开裂源于熔合线[2]。断口的放射状纹路表明，裂纹起始于位置1到位置3，从缓慢扩展到快速扩展，最终完全断裂。另外，B断面有纵向裂纹，贯穿整个管壁。

2.2 微观检验

从图3所示高温再热器入口管B断面裂纹处取样，按DL/T 884—2004火电厂金相检验与评定技术导则制备金相试样并进行金相检验，结果如图4所示。图4(a)为焊缝显微组织，为贝氏体，且有明显的原奥氏体晶界，奥氏体晶界似有微裂纹；图4(b)为粗晶区，有少量沿晶裂纹，且裂纹表面附着灰色氧化物；1条贯穿的主裂纹旁边有不连续的微小裂纹，沿细晶扩展。据此，可再次断定裂纹起源于粗晶区。

2.3 扫描电镜及能谱分析

对高温再热器入口管焊接接头断口进行超声波清洗后，在SEM下观察发现，除了粗大裂纹外，还有微裂纹和孔洞。由图5可见，粗大裂纹起源于熔合线，从粗晶区向细晶区扩展，裂纹表面覆盖较厚的氧化层，粗大裂纹伴随有微裂纹，微裂纹断面上无氧化色，见图5(a)。粗大裂纹附近有孔洞，位于晶界，特别是在三叉晶界处沿晶界呈链状分布，部分孔洞已经连通形成微裂纹，如图5(b)所示。

对粗大裂纹内的氧化物进行了能谱分析，结果见图6。图6表明，粗大裂纹内的氧化物成分为Fe和O，Fe与O元素的原子个数比例为1∶1.25。

3 裂纹性质分析

根据以上试验结果可以认为，高温再热器入口管焊接接头中的裂纹为再热裂纹。其理由如下：

图4 图3中B断口的微观形貌

图5 开裂入口管的宏观形貌

图6 粗大裂纹内氧化物能谱分析

(1)裂纹产生于锅炉使用中的高温阶段。

根据焊接理论[3-5]，焊接材料有一个最易产生再热裂纹的温度区，具有“C”曲线特征，不同钢种的再热裂纹敏感温度区不同，CrMoV耐热钢的再热裂纹敏感温度区约为500～700 ℃。铁的氧化物通常为FeO、Fe2O3和Fe3O4，在不同条件下生成不同的氧化物。Fe和O2直接反应，在不超过570 ℃时生成物为Fe3O4，其Fe与O元素的原子数比例为1∶1.33；温度高于570 ℃时，生成FeO，Fe与O元素的原子个数比例为1∶1；Fe和O2直接化合，很难生成Fe2O3，当温度高达1 300 ℃时，生成的FeO才能进一步氧化成Fe2O3，Fe与O元素的原子个数比例为1∶1.5。能谱分析结果表明，粗大裂纹内的氧化物均为Fe的氧化物，Fe与O元素的原子个数比例为1∶1.25。由于Fe与O元素的原子个数比例介于1∶10～1∶1.33，因此可认为该裂纹内的氧化物为FeO和Fe3O4的混合物，其产生的温度区间为500～700 ℃，与产生再热裂纹的敏感温度区间一致。

(2)裂纹的宏微观形貌符合再热裂纹特征。

理论上，最易产生再热裂纹的部位为焊接热影响区的粗晶区。微观上，再热裂纹具有典型的沿晶开裂特征，从熔合线粗晶区沿熔合线扩展至细晶区。显微组织(4(b))显示，裂纹起源于管外壁熔合线粗晶区，止于细晶区。

(3)裂纹的3种微观形貌符合再热裂纹的产生机制。

根据焊接冶金理论，再热裂纹的形成机制为晶内沉淀强化或晶界弱化。Cr、Mo、V等合金元素碳化物在晶内析出导致晶内强化，使应力松弛过程中产生的变形集中于晶界，若晶界塑性不足，就会产生再热裂纹；晶界弱化使其塑性变形性能大大降低，当应力松弛产生的变形超过晶界的塑性变形量时，就产生再热裂纹。CrMoV耐热钢产生再热裂纹的一般规律为，在HAZ粗晶区晶界形成孔洞，孔洞之间相互连接形成微裂纹，微裂纹扩展并相互连接形成粗大裂纹。

4 高温再热器入口管焊接接头开裂原因及对策

4.1 开裂原因

(1)焊接应力较大。该焊接接头为小口径薄壁管与集箱短接管的对焊接头，难免存在制造精度偏差，焊接时会有较大拘束度，导致焊后存在较大的焊接残余应力。

(2)使用中的温差造成较大的热应力。其原因是，超超临界锅炉运行温度达580～610 ℃，机组启、停之间造成管壁内外侧温度不均匀。

(3)12Cr1MoV钢具有较大的形成再热裂纹敏感性。12Cr1MoV钢含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素，碳含量又处于再热裂纹形成的敏感成分范围，具有较大的形成再热裂纹敏感性[6-7]，敏感温度区为500～700 ℃。该高温再热器入口管管壁实际温度为580～610 ℃，长期处于该敏感温度区间，加之如上所述存在较大的内应力，最终导致焊接接头开裂。

4.2 应对措施

(1)严格执行焊接工艺，合理控制焊接速度、降低焊后冷却速度；必要时进行焊后热处理，消除焊接应力，但必须避开再热开裂敏感温度区，以防止再热裂纹的产生。

(2)改进接头结构，以减小拘束应力，防止产生应力集中。

(3)定期对该部位焊缝进行无损探伤。