某电站锅炉水冷壁T23管泄漏原因分析及处理

皖能合肥发电有限公司 王朝林 胡玉璋

1 概述

近年来，某省各煤电机组均面临着深度调峰，从而导致锅炉“四管”的泄漏次数逐步增加，且其失效的原因也多种多样[1]。

T23（2.25Cr-1.6W-V-Nb）钢是改良T22钢后的一种新型低合金热强钢，在600℃的蠕变强度接近于T91钢，可用于超（超）临界机组水冷壁。但是，有文献报道T23材质水冷壁接头焊缝在运行过程中易出现裂纹，导致泄漏事故，使机组频繁停运的情况[2]。T23作为一种新型的材质，其焊接接头失效原因值得深入分析。

本文报告一水冷壁T23管焊接接头在机组投运半年内频繁发生泄漏的失效案例。该机组为二次再热超（超）临界机组工程，锅炉为变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、水冷湿式除渣系统。锅炉的主蒸汽压力、一次、二次再热蒸汽压力分别为：30MPa、9.17MPa、2.25MPa；主蒸汽温度、一次、二次再热蒸汽温度分别为：600℃、610℃、620℃。其中在标高52m 至72m 螺旋段水冷壁管材质为T23，规格为42.2×7.8mm，出口温度为480℃。该机组参与深度调峰。

2 宏观检查和无损检测

该锅炉停炉检修时，对72m 至52m 的水冷壁四个角部管子焊缝进行射线检测，结果发现编号S1和S5的两根T23管子焊缝存在裂纹。管样的宏观照片、射线底片和内壁渗透照片如图1所示。

图1 管子的宏观照片、射线底片和内壁渗透照片

从射线底片可以看出，编号S1和S5的焊缝均可见明显的裂纹缺陷（见图中红色箭头），裂纹横向分布在管子的6点或12点位置，且横跨焊缝，依据标准NB/T 47013.2-2015的规定，焊缝不允许有裂纹。截开后发现焊缝内壁均有焊瘤。

3 金相检验

分别对编号S1和S5水冷壁管裂纹部位割取横截面试样并在裂纹旁边位置割取焊缝纵截面试样，所有样品经粗磨、细磨和抛光后，采用3%的三氯化铁盐酸溶液进行腐蚀，在Carl Zeiss Axio Obsever 倒置式研究级金相显微镜上观察试样金相组织。

图2为编号S1裂纹、焊缝和热影响区的金相组织图片，从图2中可以看出，裂纹是由内壁向外壁开裂，向两边延伸，裂纹尖端呈沿晶开裂。裂纹两端的金相组织中含有大量的板条马氏体组织。从焊缝的组织照片中可以看出，整个焊缝中含有大量的板条马氏体组织，T23焊缝组织应为贝氏体组织，S1焊缝为粗大板条马氏体组织+部分贝氏体组织的混晶组织。

图2 编号S1裂纹、焊缝和热影响区的金相组织图

图3为编号S5裂纹、焊缝和热影响区的金相组织图片，从图3中可以看出，裂纹由内壁向外壁开裂，向两边延伸，裂纹萌生部位为焊缝氩弧焊打底附近的熔合线部位，且氩弧焊打底部位有许多小裂纹萌生，裂纹尖端呈沿晶开裂。裂纹附近氩弧焊打底部位的金相组织图中有原奥氏体晶界和大量的板条马氏体组织。从焊缝金相组织照片中可以看出，焊缝的氩弧焊部位含有原奥氏体和大量的板条马氏体，整个焊缝为板条马氏体组织+贝氏体组织的混晶组织。

图3 编号S5裂纹、焊缝和热影响区的金相组织图

4 硬度检测

依据硬度检验标准[3]，用布氏硬度计对焊缝、热影响区和母材进行硬度试验（为保证检测面平整度和光洁度，确保检测的准确性，试验在金相试样表面进行），每组试样测试三次硬度值，试验结果见表1。

表1 管样的焊缝、热影响区和母材的布氏硬度值

从表1可以看出，编号S1和S5的母材硬度值符合标准的规定，同时两者焊缝的硬度值均高于标准的规定，其中编号S1的热影响区的硬度值高于标准规定。

5 分析

从上述的试验结果可知，该水冷壁运行一年左右时间即出现焊缝早期失效情况。第一，编号S1和S5焊缝中均存在裂纹，且裂纹横穿焊缝；第二，编号S1焊缝的金相组织为粗大板条马氏体组织+部分贝氏体组织的混晶组织，裂纹是由内壁向外壁开裂，呈沿晶开裂；编号S5为板条马氏体组织+贝氏体组织的混晶组织，裂纹由内壁向外壁开裂，裂纹萌生部位为焊缝氩弧焊打底附近的熔合线部位，裂纹呈沿晶开裂；第三，编号S1和S5焊缝的硬度值均高于标准规定。

马氏体组织中间隙原子（C 原子）的存在使Fe原子偏离平衡位置，导致晶体中的晶格发生较大畸变，致使组织处于硬化状态。焊接时接近缝区的奥氏体晶粒易严重长大，而粗大的奥氏体将变成粗大的马氏体，马氏体是一种脆硬的组织，裂纹易于形成和扩展。DL/T 869-2021规定焊缝金相组织合格的标准为没有淬硬的马氏体组织。同时，T23钢材再热裂纹敏感性强，正常焊缝金相组织为贝氏体组织。根据相关文献的调研，马氏体与贝氏体混合组织对裂纹敏感程度非常大，本次编号S1和S5焊缝中都存在大量马氏体和贝氏体混合组织，因此其裂纹的敏感度高，再热裂纹倾向也非常大[4]。其中，编号S1试样金相组织中，裂纹两侧的组织均是粗大的针状马氏体组织；编号S5试样金相组织中，氩弧焊打底部位存在原奥氏体晶界，裂纹就从打底层附近的熔合线萌生扩展。这充分说明马氏体、贝氏体混合组织再热裂纹敏感程度大。从硬度值方面看，编号S1和S5焊缝的硬度值均高于标准值，这表明该锅炉水冷壁（T23材质）管焊缝的焊接工艺存在一定问题。

焊缝具有高位错密度的马氏体板条结构，板条内析出少量的细小碳化物，未回火的马氏体在水冷壁工作温度（400～500℃）下具有蠕变脆性，在应力作用下，焊缝容易在三晶粒的交界处产生应力集中，结合T23焊缝在运行过程中发生晶界弱化和晶内沉淀强化，晶界的结合力降低，如果应力超过了晶界的结合力，会在此处产生上述裂纹，而管壁横向应力为环向应力的2倍，因此裂纹沿横向扩展。

6 结语

第一，水冷壁短期失效发生在T23焊缝，裂纹横向分布在管子的6点钟或12点钟位置，从内壁向外壁扩展，从粗晶区或焊缝萌生，向两边延伸。第二，裂纹具有沿晶扩展特性，其性质为再热裂纹中的楔形开裂。第三，焊缝有较多高硬度的马氏体组织，这种未回火的马氏体和贝氏体混合组织在水冷壁工作温度下具有蠕变脆性，是产生裂纹的内因。第四，水冷壁鳍片焊缝的横向收缩应力、刚性梁结构的拘束应力等水平方向的附加应力是导致焊缝开裂的外因，调试时负荷波动产生的载荷促进了裂纹的萌生和扩展。第五，材质为T23的水冷壁管焊缝的标准焊接试样中含有大量的淬硬马氏体组织，按标准DL/T 869-2012属于不合格的焊缝。因此其焊接工艺存在一定问题。第六，建议注重焊后热处理工艺[5]，通过降低焊缝硬度、选择低合金含量的焊材、细化晶粒和检修水平方向的结构应力等方法措施来抑制裂纹的产生。