某超超临界火电机组锅炉高温再热器管开裂原因分析

2021-01-05杨洪波邱质彬

中国金属通报 2020年17期

杨洪波，邱质彬，许辉，王鲁

（1.贵州华电桐梓发电有限公司，贵州遵义 563200；2.华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030）

电站锅炉管道部件大多数长期运行在高温、高压环境中，其材料随着服役时间的延长会出现不同程度损伤，甚至发生爆管泄漏事故，严重影响机组的安全运行[1-5]。因此，对锅炉管道的失效及泄漏原因进行针对性地分析总结，研究其失效特征，才能制定预防类似事故的措施和对策，进而保障机组的安全运行。某超超临界1000MW机组于2018年8月13日投入运行，累积运行约2000h后发现，锅炉大包内高温再热器入口管屏左数18屏前数第4根管（管材为12Cr1MoVG，规格为φ51×4）与高温再热器集箱基建安装对接焊缝发生开裂。为了找出开裂原因，为电厂制定相应处理措施提供理论依据，杜绝此类问题再次发生，对该管子进行进试验分析。

1 试验材料及方法

试验用断裂管子宏观形貌如图1a，断裂后的左侧部分为母材（记为断裂侧母材），右侧部分包含焊缝和母材（记为未断裂侧母材），相应的宏观断口形貌分别见图b、图c，可见断裂位置位于焊接接头的熔合线附近。断裂的管子上未发现明显磨损、腐蚀、刮伤、鼓包、变形（含蠕变变形）等情况，管子壁厚未明显减薄。

试验方法包括硬度检测、金相分析等。硬度检测使用400HBS-3000A布氏硬度计硬度计，金相分析设备使用Leica DMI5000M金相显微镜。

2 试验结果

2.1 硬度检测

对高温再热器管开裂焊口的不同区域进行布氏硬度检测，其中母材、焊缝测2个点，热影响区测1个点，结果如表1所示。焊缝两侧母材的平均硬度值分别为146HBW、153HBW，符合DL/T 438-2016标准要求。但是焊缝处平均硬度值为307HBW，远高于DL/T 869-2012标准要求。焊缝两侧的热影响区硬度值分别为249HBW、216HBW，断裂侧热影响区硬度值比未断裂侧热影响区硬度值低33HBW。

图1 开裂的高温再热器管：（a）整体形貌；（b）左侧断口；（c）右侧断口

表1 高再取样管焊口布氏硬度值（HBW）

2.2 金相检测

高温再热器管开裂焊口的金相组织见图2，未断裂侧母材的金相组织为铁素体加贝氏体，球化3.5级，断裂侧母材的金相组织也为铁素体加贝氏体，球化3级，两侧母材金相组织未见严重老化。热影响区的金相组织为贝氏体加少量马氏体，焊缝金相组织也为贝氏体加马氏体，两个区域的组织类型相同，均存在马氏体淬硬性组织。

图2 开裂焊口金相组织

图3 纵截面裂纹形貌

从纵截面金相照片可以看到，管子沿着焊缝热影响区的粗晶区发生开裂，在开裂面附近还存在两条长度较大的次裂纹，裂纹扩展方向均是从管内向管外（图3a）。进一步观察发现，裂纹两侧均覆盖着一层黑色氧化物，主要沿晶界扩展，在裂纹尖端附近可见断续的沿晶微裂纹（图3b），其扩展方向与长裂纹相同。

3 原因分析

实验结果表明，该高温再热器管子开裂位置为焊缝热影响区的粗晶区，裂纹沿粗晶边缘扩展，为沿晶裂纹，由裂纹形貌与扩展方式，可确定初始裂纹为焊接再热裂纹。焊缝两侧母材的金相组织和硬度未见异常。焊缝和热影响区的金相组织均为贝氏体加马氏体，焊缝平均硬度值为307HBW，超过标准“焊缝硬度不超过母材硬度值加100HBW，对于合金总含量小于或等于3%，焊缝硬度值不大于270HBW”的要求。焊缝硬度过高会导致与母材的弹塑性差异性增加，变形协调性降低，同时管子在服役过程中，承受着高温氧化、水汽腐蚀以及热应力作用，尤其当机组启停以及工质参数波动较大时，焊缝热影响区的粗晶区会形成较大应力集中，促进裂纹的扩展，最终导致管子开裂。焊缝硬度过高主要是由于焊接工艺或操作不当，造成焊接热量输入过大或焊接后的冷却速度过快，形成了淬硬性组织。