某660 MW超临界锅炉高温再热器爆管分析

秦晓佳, 梁 皓, 程海飞, 方振邦, 秦 孜

(1.国网安徽省电力有限公司培训中心, 安徽 合肥 230022； 2.安徽电气工程职业技术学院, 安徽 合肥 230051； 3.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院, 安徽 合肥 230601； 4.安徽皖信人力资源管理有限公司, 安徽 合肥 230061； 5.国网安徽省电力有限公司超高压分公司, 安徽 合肥 230000)

0 引言

12Cr1MoVG钢属铬钼系低合金珠光体耐热钢，其焊接性良好，在580 ℃以下具有良好的耐蚀性。电站锅炉的过热器、再热器、蒸汽管道等高温部件常使用该钢材，它也是我国汽轮机、燃汽轮机、石油化工等领域使用最广泛的珠光体耐热钢之一[1,2]。

近年来，国内电厂发生了多起12Cr1MoVG钢焊接接头在焊后热处理时或短期高温运行后开裂、泄漏事故，为找寻此类焊接接头开裂的本质原因，预防该类事故的再次发生，本文以某电厂660 MW超临界机组高温再热器爆管泄漏事故为例，对泄漏管焊接接头进行开裂失效分析，经检查泄漏管位置为出口集箱从左往右第9排，从前往后第1根短管焊接接头位置，开裂管焊口为同种钢焊接，材质为12Cr1MoVG，尺寸为φ51 mm×4.5 mm，管道运行最高温度为550 ℃，累计运行时间约为5 000 h。为进一步规范12Cr1MoVG钢的焊接工艺提供参考。

1 检测试验

1.1 宏观检查

泄露管样焊接接头宏观形貌如图1所示，泄露位置位于同种钢对接焊缝处，断裂区域内无明显塑性变形，开裂边缘即管样的外壁侧有剪切唇特征，具体开裂位于焊接接头熔合线附近，裂纹沿焊缝一侧焊趾延伸扩展，泄露管样无胀粗、塑性变形和机械损伤特征。据此推算此次泄露爆管，裂纹由管样内壁向外壁扩展，为脆性断口。

图1 爆管宏观形貌

1.2 化学成分分析

在爆管直段部位截取光谱分析试样，使用砂纸对试样进行磨光处理后，在SPECTRO TEST全定量光谱仪上进行化学成分分析，结果见表1，其中S、Cr和Cu元素超过标准上限，其余元素未见异常。

表1 化学成分分析结果 单位：wt%

1.3 金相检验

依据DL/T 884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》对管样进行金相检验，在泄露管样焊缝两侧截取试样，采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀经磨制、抛光后的试样，置于蔡司倒置式金相显微镜下观察其显微组织，图2所示为断裂两侧焊接接头的整体形貌，开裂位置为焊缝熔合线位置，在开裂位置观测到小块金属缺失，推测红圈位置其为裂纹起始位置，随着开裂过程不断加剧，导致裂纹沿着金属脆弱部位不断扩展，最终发生管样断裂。

图2 焊接接头整体形貌12.5×

图3(a)为断口位置形貌，可见裂纹由内壁向外壁延伸扩展，裂纹呈沿晶开裂形态。断裂起裂于熔合线附近，组织中存在魏氏组织和大量碳化物，因而塑韧性差，易产生焊接裂纹，断裂边缘有明显的氧化物，相关研究表明氧化层产生的温度区间为500～700 ℃[3]，说明管样运行处于再热裂纹的敏感温度区间。图3(b)为焊缝金相组织，组织为铁素体、贝氏体和部分魏氏组织，晶粒粗大，组织中存在分布不均的碳化物和魏氏组织，硬度高，塑韧性差。图3(c)为热影响区金相组织，组织为铁素体+贝氏体+少量珠光体，珠光体数量明显减少，且珠光体特征不明显。图3(d)为母材的金相组织，组织均为铁素体+珠光体，珠光体区域完整，仅有少许珠光体组织开始分散，晶界有少量碳化物，球化等级评为1.5级，没有产生组织老化现象，说明未超温运行。

(a)断口位置100× (b)焊缝50×

(c)热影响区100× (d)母材50×

1.4 力学性能检测

1.4.1 拉伸试验

依据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对爆管下部沿纵向截取2个拉伸试样，测得试样拉伸性能数据见表2。两个试样的屈服强度和伸长率都低于标准值，说明该管材塑韧性低。

表2 拉伸检测结果

1.4.2 硬度检测

采用布氏硬度计，在金相样品表面进行硬度试验，检测区域选择基体组织完整、无孔洞和裂纹区域，检测方法依据GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验 第1部分：试验方法》，试验结果见表3。

DL/T 869规定焊缝硬度不超过母材布什硬度+100HBW，且布什硬度不大于270HBW，测试结果表明，母材硬度正常，断裂区域和焊缝区域硬度偏高，不符合标准要求，焊缝硬度偏高必然导致塑性、韧性下降，导致脆性断裂[4]。表明该区域存在较大的残余应力，推测焊接过程中热输量过大，使得焊缝及断裂区域硬度值升高。

表3 硬度检测结果

2 原因分析

12Cr1MoVG含有Cr、Mo、V等碳化物形成元素，而且其碳含量处于再热裂纹形成的敏感成分范围内，这就导致了这种材料具有较强的再热裂纹敏感性，其再热裂纹敏感温度区间为500～700 ℃，也就是说焊后焊件在再热裂纹敏感温度区间内再次加热，易形成再热裂纹而导致开裂[5,6]。

本次金相检验显示母材的组织正常，未出现老化现象，说明机组未超温运行，而焊缝和熔合区焊缝组织不均匀，晶粒粗大，碳化物不均匀的聚集长大在晶粒和晶内，且存在含有魏氏组织，这样的组织塑性、韧性差，容易引起焊接裂纹和脆性断裂。而且焊缝余高的存在使得焊缝与母材交接处焊趾位置易存在高度应力集中，为再热裂纹的形成提供了应力条件；再热器的运行温度545 ℃左右，处于产生再热裂纹的敏感温度区间，为再热裂纹的形成提供了温度条件。因此随着不断的高温运行及拘束应力的影响，产生微裂纹，并扩展为宏观裂纹，最终导致开裂。

3 结论与建议

(1)此次660 MW超临界锅炉高温再热器爆管原因为焊接接头熔合区产生再热裂纹，裂纹沿着沿管道焊缝熔合区沿晶扩展，其组织特征为粗大的过热组织和少量魏氏组织，塑性、韧性差，易产生焊接裂纹和脆性断裂。由于接头位置存在拘束应力，在高温运行后，焊缝熔合区发生再热劣化，产生细小的微裂纹，逐步扩展为宏观裂纹，最终导致再热器管开裂。

(2)针对此次高温再热器失效原因，应加强12Cr1MoVG的焊接质量管理工作，焊接工艺中加快焊接速度，减小焊接热输入量，避免焊接热输量过大。同时提高焊接电压，降低焊接电流，以增大焊接接头的成形系数，预防12Cr1MoVG钢焊接接头产生再热裂纹。