锅炉低温再热器异种钢焊缝开裂分析

牛玉静，胡锋涛

(1.国家电投河南电力有限公司技术信息中心，郑州 450000；2.润电能源科学技术有限公司，郑州 450000)

火电厂锅炉受热面管失效泄漏一直是频发事故。低温再热器作为锅炉的主要受热面，在锅炉运行中时常发生失效，其失效会严重影响锅炉的正常运行，进而导致锅炉非计划停运，给电厂造成严重的安全及经济损失。

某火电厂1号锅炉运行7 363 h后，上层低温再热器靠近中隔墙部位的管道发生泄漏。笔者通过现场检查并在泄漏区域取样对其性能进行分析，研究低温再热器失效的原因，同时提出相关处理措施。

1 泄漏处概况

该火电厂低温再热器泄漏管设计材质为12Cr1MoVG，设计规格为Φ63.5×4.0(外径为63.5 mm、厚度为4.0 mm)。泄漏处位于低温再热器上层管组的最上层，即炉左数第46号屏外第1根管子炉后侧拉板与管子弯头背弧面焊接处，焊缝为异种钢焊接。泄漏处管屏结构和拉板见图1。

图1 泄漏处管屏结构和拉板

2 试验过程

2.1 现场泄漏情况

焊缝泄漏形貌见图2。由图2可得：取下开裂的部位后，发现裂缝沿管子侧熔合线向两侧扩展。开裂部位管子的裂缝开口较大；拉板中间的槽内多个部位存在碰磨和挤压的痕迹。

图2 焊缝泄漏形貌

泄漏管将炉左数第45屏外第1根、第2根管子吹漏，将炉左数第46屏外第1根管子弯头的炉左侧中性面处吹漏(见图3)，并且泄漏处附近多根管子被吹损减薄。

图3 吹损管宏观形貌

中隔墙存在明显变形的情况(见图4)。锅炉最上层低温再热器管炉后侧共安装22套拉板，现场检查发现4套拉板焊死、13套拉板上下间距过小、1套拉板明显变形、1套拉板方向装反(见图5)。

图4 中隔墙变形照片

图5 低温再热器最上层炉后侧部分拉板形貌

2.2 合金成分分析

对泄漏管、拉板焊缝、拉板的合金成分进行检测，检测结果及其与标准要求的对比见表1，其中：12Cr1MoVG标准要求值参考GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》；E309Mo-16标准要求值参考GB/T 983—2012《不锈钢焊条》。由表1可得：拉板焊缝的Cr含量低于标准下限，所检测的其他成分符合标准要求。

2.3 金相分析

开裂试样剖面形貌见图6，裂缝两侧存在明显台阶。

12Cr1MoV母材侧焊缝附近各区域组织形貌见图7。由图7可得：未经热处理焊缝组织为奥氏体+铁素体；近12Cr1MoV母材侧熔合区由于增碳产生了马氏体组织[1]，管材侧过热区为较为粗大的贝氏体组织[2]，并且存在基本平行于主裂纹的沿晶裂纹；正火区典型组织为细小的贝氏体+铁素体[3]；母材组织为正常的铁素体+贝氏体。

图7 12Cr1MoV母材侧焊缝附近各区域组织形貌

3 结果分析

3.1 结构应力

开裂位置为低温再热器弯头背弧面拉板角焊缝焊趾部位。开裂处拉板存在明显的碰磨和挤压特征，中隔墙多处存在明显变形，22套拉板多处存在焊死及安装状态不符合设计要求的情况。

安装拉板是为了提高中隔墙的刚性，避免中隔墙产生变形。根据设计要求，冷态下两块拉板间的前后、左右、上下膨胀间隙应分别留有10 mm、10 mm、38 mm。目前，中隔墙已发生明显变形，并且拉板表面表现出碰磨特征，表明锅炉在运行时中隔墙向下膨胀受阻，同时膨胀所产生的应力通过拉板传递到泄漏管。

3.2 焊接应力

一般情况下，在机组启动后，受热面管弯头部位要吸收管子热膨胀所产生的热应力。但是，拉板焊接在弯头背弧面，拉板厚度为8 mm、管子厚度为4 mm，采用奥氏体不锈钢焊材进行焊接，拉板材料的线膨胀系数约为管子材料的1.5倍。在这种情况下，不仅会在焊接过程中产生残余应力，还会在正常运行过程中形成热应力。

3.3 试验结论

(1)拉板焊缝Cr含量低于标准下限，所检测其他试样的金属元素含量符合标准要求。

(2)母材组织未见异常。焊缝组织为焊态的奥氏体+铁素体，未进行焊后热处理。焊缝靠近12Cr1MoV母材熔合线附近存在因增碳而产生马氏体过渡带，该组织硬度高、塑韧性差，长期使用易开裂；同时，该组织的产生主要与焊材的选择、焊接工艺的设计和执行有关[4]。过热区为粗大的贝氏体组织，表明焊接电流较大，并且过热区及主裂纹附近存在沿晶裂纹。

(3)从开裂试样剖面来看，裂缝从角焊缝焊趾部位开始开裂，基本沿着径向扩展，并且裂缝两侧存在明显台阶，表明开裂过程有较大的应力作用。

4 结语

(1)多处拉板存在焊死及安装状态不符合设计要求的问题，导致锅炉在运行时中隔墙向下膨胀受阻，使低温再热器管处产生较大应力。建议根据设计制造要求，纠正安装状态不符合设计要求的拉板，并且联系锅炉设计制造单位，解决中隔墙膨胀不畅及变形的问题。

(2)拉板与低温再热器间焊缝的焊接质量不佳，焊缝熔合区存在明显马氏体过渡带，并且母材过热区存在沿晶微观裂纹缺陷，在锅炉运行过程中复杂应力的作用下导致微观裂纹转变为宏观裂纹，最终造成受热面泄漏。