某电站锅炉末级再热器管失效原因分析

常 伟，魏 然，于佳宇

(国电科学技术研究院有限公司银川分公司，银川 750000)

0 前言

某电站锅炉为SG-2141/25.4-M978型燃煤超临界直流锅炉。在运行过程中，该锅炉标高76.49 m大罩壳内炉左第5排炉后第2根末级再热器出口过渡段异径管Ø63.5 mm侧焊缝热影响区部位发生断裂。末级再热器出口管33排，每排20根管，大罩壳内管子变径部位通过异径管相接。断裂部位材质SA213-TP347H，规格Ø54×4.5 mm/Ø63.5×9.5 mm,异径管大头在下，其连接部位材质SA213-T91，规格Ø54×4.5 mm。末级再热器出口过渡段及断裂部位如图1所示。

图1 末级再热器出口过渡段及断裂部位

1 试验分析

1.1 现场宏观检查

末级再热器管断口检查见图2-3，开裂主要集中在异径管大头Ø63.5 mm侧热影响区，开裂部位焊缝根部凸出；整个断口较平，壁厚未发现明显减薄，初始断裂区管子外壁有锈蚀痕迹且颜色较深，从外壁向内壁扩展，整个断口呈纤维状，无明显塑性变形，内壁有最终断裂区，最终断裂区较整个断裂面略有凹陷且锈蚀色较浅，见图4。

图2 末级再热器管断裂现场形貌

图3 断裂再热器管外观形貌

图4 断口宏观形貌

按蒸汽流向，炉后第1根异径管内径从Ø55.5 mm增大到Ø67 mm，大头在上，蒸汽在变径部位阻力影响不大，与现场检查结果相一致；炉后第2、3根异径管内径从Ø55.5 mm缩小到Ø44.5 mm，大头在下，蒸汽在变径部位受到阻力；采用渗透探伤方法扩大检测后，发现大罩壳内在大头在下的相同位置(异径管大头部位)共29根管焊缝热影响区母材均存在横向裂纹，大头在上的均未发现裂纹，裂纹形貌见图5。

图5 末级再热器管异径管大头部位裂纹形貌

1.2 资料查阅

查阅制造安装资料，末级再热器管材质为SA213-TP347H，施焊均采用GTAW焊接，两道焊，预热、焊后热处理、加热和测温不要求，层间温度≤250 ℃；发生断裂的异径管SA213-TP347H一端与过渡段SA213-T91对接焊口属制造焊口，焊后整体热处理。

查阅末级再热器出口管过渡段制造资料，炉后第1根异径管和炉后第2、3根异径管结构，见图6。异径管大头侧(Ø63.5)加工角度均为30 °。

图6 异径管结构图

资料查阅发现，焊接工艺中层间温度的控制不符合标准〔1〕DL/T 869-2012附录E中“层间温度应控制在150 ℃以下”的要求，焊接工艺不规范；内壁加工倒角30 °大于标准〔1〕DL/T 869-2012中4.3.4条“内壁尺寸不相等，两侧壁厚差小于等于10 mm组焊时，加工倒角应为15 °”的要求，与焊接根部凸出部位形成凹沟，导致此处管壁应力陡增。

1.3 金相检验

为了查明末级再热器管失效的原因，依据标准〔2〕DL/T 884-2019，采用FeCl3盐酸水溶液侵蚀，Zeiss Axio Observer A1m倒置式光学显微镜进行观察，对断裂的末级再热器管焊缝、接管及异径管母材分别取样进行金相组织检验。

断裂的末级再热器管焊缝金相组织为奥氏体，从打底层至盖面层奥氏体晶粒逐渐粗化，焊缝根部熔合区母材，晶粒度1级〔3〕，见图7。

图7 末级再热器管焊缝金相组织形貌

对断裂部位取样观察发现，断口附近内外壁均存在多条细小的沿晶裂纹，见图8。

图8 土壤电阻率随温度变化图

图8 末级再热器管断裂部位内外壁沿晶裂纹形貌

距断口100 mm尺寸为Ø63.5×9.5 mm接管母材金相组织为奥氏体，晶粒度4-7级〔3〕，混晶；断口异径管母材金相组织为奥氏体，晶粒度2-4级〔3〕，混晶，见图9。

图9 土壤电阻率随湿度变化图

图9 末级再热器管母材金相组织形貌

金相检验结果显示，断裂的末级再热器管焊缝从打底层至盖面层奥氏体晶粒逐渐粗化，焊缝根部熔合区附近母材晶粒度1级，不符合标准〔4〕GB/T 5310-2017中6.9条“材质07Cr19Ni10成品钢管晶粒度控制在4-7级”的要求；主裂纹及二次裂纹均为沿晶走向，具有晶间腐蚀的特征。

1.4 断口微观分析

对断裂的末级再热器管从初始断裂区和终断区分别取样，采用扫描电镜对断口微观检查。

初始断裂区试样如图10所示，断口自上至下依次为断口外壁、中间部位、断口内壁，断口外壁有沿晶裂纹，断口中间部位可见明显韧窝，断口内壁较平整。

图10 初始断裂区试样断口微观形貌

终断区如图11所示，断口自上至下依次为断口内壁、中间部位、断口外壁，整个断口基本都为韧窝形貌。靠近外壁表面局部区域韧窝较小较浅，其余大部分范围内韧窝较大较深。靠近内壁表面局部区域较平直，其余大部分范围内韧窝较大较深。

图11 终断区试样断口微观形貌

扫描电镜结果显示，初始开裂部位外壁(断裂源区)有沿晶裂纹；中间(扩展区)可见明显韧窝，内壁较平整；终断区内外壁韧窝较小较浅，其余大部分范围内韧窝较大较深，符合晶间沉淀相引起的沿晶断口特征〔5〕。

2 结论

综合分析认为材质SA213-TP347H的末级再热器管在异径管大头部位失效的主要原因是，由于焊接热输入过大，层间温度高，管子变径过渡部位内外壁产生沿晶裂纹源；在结构应力、蒸汽阻力和焊接残余应力等的综合作用下，使晶间腐蚀速度加快，裂纹扩展加速，最终断裂失效。

异径管SA213-TP347H尺寸为Ø63.5×9.5 mm端与过渡段SA213-T91对接焊口属制造焊口，焊后整体热处理，温度680 ℃，奥氏体不锈钢在敏化温度400～850 ℃的区域，碳化物会在晶界沉淀析出，增加了晶间腐蚀倾向；焊接过程中，对于焊缝热影响区母材相当于再一次加热，熔合线附近都有被加热到400～850 ℃的区域，增加了晶间腐蚀发生破坏的敏感性〔6〕。末级再热器管断口焊接接头焊接热输入大、层间温度过高，造成焊层厚度不均匀且超过焊丝直径、异径管大头晶粒度粗大，熔合区附近母材组织粗化，在管子变径过渡部位内外壁产生晶间腐蚀的裂纹源，具有晶间腐蚀的特征，断裂处内、外壁沿晶裂纹证明此点。晶粒粗大加速晶间腐蚀，因为在一定体积内粗晶的晶界面积较小，在固定的敏化处理的情况下，碳化物的沉淀是一定的，此时粗晶的晶界碳化物密度较大〔6〕。当沉淀相的尺寸增加到在晶界占比较大时，裂纹扩展则不需要通过更多的变形，断口形貌逐渐会变为脆性〔5〕。沿晶裂纹在结构应力、蒸汽阻力和焊接残余应力等的综合作用下，裂纹扩展加速，最终断裂失效。

3 建议

建议对相同结构的末级再热器管加强监督检查，保证新更换异径管结构和加工尺寸符合相关标准规定，避免应力集中；对于SA213-TP347H与T91的焊口，建议采用奥氏体焊材，小线能量进行焊接。如进行焊后热处理，应有热处理工艺且严格按工艺执行，避免晶间腐蚀萌生裂纹源。