0.   引言

某電廠660 MW機(jī)組采用上海鍋爐廠設(shè)計(jì)的超超臨界、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)的Π型直流鍋爐。鍋爐出口設(shè)計(jì)壓力為29.4 MPa，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2 060 t·h−1。低溫再熱器出口設(shè)計(jì)溫度/壓力為533 ℃/6.17 MPa，高溫再熱器出口設(shè)計(jì)溫度/壓力為623 ℃/6.06 MPa。在機(jī)組168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行期間，鍋爐熱罩殼頂部發(fā)生泄漏報(bào)警，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)12Cr1MoV鋼低溫再熱器出口集箱管座與連接管焊接接頭處發(fā)生大面積開裂。管座和連接管規(guī)格分別為?70.5 mm×7.2 mm，?63.5 mm×4 mm，二者采用鎢極氬弧焊進(jìn)行連接，焊接材料為TIG-R31焊絲，未進(jìn)行焊后熱處理。12Cr1MoV鋼具有良好的焊接性能[1-2]，但較大的碳當(dāng)量使得其淬硬傾向較大，焊接及焊后熱處理控制不當(dāng)極易形成淬硬組織，產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力會(huì)顯著增加冷裂紋敏感性，導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生[3-5]；同時(shí)12Cr1MoV鋼對(duì)再熱裂紋敏感，預(yù)熱溫度、熱輸入等焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理溫度選用不當(dāng)會(huì)加劇再熱裂紋敏感性，尤其是當(dāng)制備的焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)大于12Cr1MoV鋼本身強(qiáng)度時(shí)，極易導(dǎo)致再熱裂紋的產(chǎn)生[3-7]。自12Cr1MoV鋼在燃煤發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用以來，其焊接接頭泄漏問題頻發(fā)且多數(shù)泄漏與再熱裂紋相關(guān)[2，8-10]，大多失效都發(fā)生在長周期服役后，早期失效比較罕見。作者對(duì)該電廠僅運(yùn)行168 h就失效的12Cr1MoV鋼低溫再熱器集箱管座與連接管焊接接頭的開裂原因進(jìn)行分析，并提出預(yù)防措施，以消除設(shè)備隱患進(jìn)而提高機(jī)組安全運(yùn)行水平。 

1.   理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1   宏觀形貌

由圖1可以看出：開裂位置位于焊接接頭近集箱管座側(cè)的熔合線處，附近管材無脹粗和變形特征，也無腐蝕跡象；軸向剖開后，管外壁沿焊接方向的裂紋長度約管周長的3/4，而管內(nèi)壁沿焊接方向的裂紋長度約管周長的1/2，外壁裂紋長度明顯大于內(nèi)壁裂紋長度；焊接接頭根部成形不良，存在不同程度的凸出以及咬邊現(xiàn)象。 

圖  1  失效焊接接頭的開裂位置以及外壁和內(nèi)壁宏觀形貌

Figure  1.  Cracking position (a) and outer wall (b) and inner wall (c) macromorphology of failed welded joint

1.2   化學(xué)成分

采用Spectro MAXx型直讀光譜儀對(duì)失效焊接接頭兩側(cè)管座和連接管母材的化學(xué)成分進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知，失效焊接接頭管座和連接管母材的化學(xué)成分均符合GB/T 5310—2023《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)12Cr1MoV鋼化學(xué)成分的要求。 

1.3   力學(xué)性能

采用Wilson BH3000型布氏硬度計(jì)對(duì)失效焊接接頭兩側(cè)母材和焊縫進(jìn)行硬度測試，載荷為1 838.7 N，保載時(shí)間為15 s，測4次取平均值。測得焊接接頭管座母材和連接管母材的硬度分別為169.6，173.5 HB，均滿足GB/T 5310—2023《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)12Cr1MoV鋼布氏硬度的要求（135~195 HB）；焊縫的硬度為325.3 HB。DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度不超過母材平均硬度加100 HBW，且當(dāng)合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于3%時(shí)，布氏硬度不大于270 HBW。失效焊接接頭未進(jìn)行焊后熱處理，其焊縫硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求。 

采用HMV-G31型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)失效焊接接頭沿管軸向的顯微硬度分布進(jìn)行測試，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為14 s，測試間距為1 mm，測3個(gè)試樣。由圖2可知，焊接接頭焊縫顯微硬度為310~340 HV，兩側(cè)母材顯微硬度為160~180 HV，熱影響區(qū)顯微硬度為140~150 HV。熱影響區(qū)硬度最低，是焊接接頭的薄弱區(qū)域。 

圖  2  失效焊接接頭沿管軸向的顯微硬度分布曲線

Figure  2.  Microhardness distribution curves of failed welded joint along axial direction of pipe

在兩側(cè)母材和以焊縫為中心的焊接接頭上沿管軸向截取如圖3所示的微小拉伸試樣，按照DL/T 2363—2021《金屬材料微型試樣室溫拉伸試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》，采用UTM5105型萬能電子試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和550 ℃短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm·min−1；高溫拉伸試樣在試驗(yàn)機(jī)附帶管式加熱爐中加熱，采用雙熱電偶測控溫度，每組室溫、短時(shí)高溫拉伸試驗(yàn)試樣數(shù)量為3~5個(gè)。 

圖  3  拉伸試樣尺寸

Figure  3.  Dimension of tensile sample

室溫下母材的抗拉強(qiáng)度為500~520 MPa，屈服強(qiáng)度為350~380 MPa，斷后伸長率為23%~33%，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12Cr1MoV鋼抗拉強(qiáng)度在470~640 MPa、屈服強(qiáng)度不低于255 MPa、斷后伸長率不低于21%的要求。室溫下焊接接頭抗拉強(qiáng)度為850~890 MPa，比母材高330~390 MPa；屈服強(qiáng)度為760~820 MPa，比母材高380~470 MPa；斷后伸長率為15%~21%，比母材低2%~18%。550 ℃下母材屈服強(qiáng)度為210~240 MPa，滿足12Cr1MoV鋼550 ℃下屈服強(qiáng)度不低于187 MPa的規(guī)定；550 ℃下母材抗拉強(qiáng)度為320~360 MPa，焊接接頭抗拉強(qiáng)度為460~490 MPa，屈服強(qiáng)度為240~270 MPa。焊接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)高于12Cr1MoV鋼母材強(qiáng)度。 

1.4   顯微組織

在失效焊接接頭完全開裂區(qū)取樣，用丙酮溶液超聲波清洗開裂斷面后，采用Stemi508型體視顯微鏡觀察其形貌。在失效焊接接頭裂紋擴(kuò)展區(qū)、裂紋尖端區(qū)以及未開裂區(qū)垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)5%的硝酸乙醇溶液腐蝕后，采用Observer.D1M型光學(xué)顯微鏡觀察不同區(qū)域的顯微組織。由圖4可知，失效焊接接頭中的裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，在主裂紋擴(kuò)展過程形成二次裂紋，同時(shí)由于蒸汽泄漏，開裂斷面發(fā)生嚴(yán)重氧化。 

圖  4  失效焊接接頭完全開裂區(qū)的斷面形貌

Figure  4.  Fracture surface morphology of complete cracking area in failed welded joint

由圖5可知：裂紋在焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)萌生，由管外壁向內(nèi)壁沿晶擴(kuò)展，在裂紋擴(kuò)展過程中裂紋尖端不斷被氧化；外壁焊縫余高為420 μm，具有一定錯(cuò)口現(xiàn)象；熱影響區(qū)寬度在3 450~3 815 μm，遠(yuǎn)大于DL/T 869—2021規(guī)定的壁厚小于6 mm的12Cr1MoV鋼管焊接接頭熱影響區(qū)寬度不大于2 000 μm的要求。焊縫根部對(duì)口間隙為5 435 μm，焊縫根部凸出2 135 μm，均不符合DL/T 869—2021中規(guī)定的12Cr1MoV鋼小徑管焊縫根部對(duì)口間隙小于3 000 μm、焊縫根部凸出不大于2 000 μm的要求。 

圖  5  失效焊接接頭裂紋擴(kuò)展區(qū)和裂紋尖端區(qū)的裂紋截面形貌

Figure  5.  Crack section morphology of crack propagation area (a) and crack tip area (b–c) in failed welded joint (b) overall morphology and (c) local morphology

由圖6可知：失效焊接接頭管座母材和連接管母材組織正常，均為鐵素體和珠光體，顯微組織2級(jí)；焊縫組織正常，為粒狀貝氏體。 

圖  6  失效焊接接頭母材以及焊縫的顯微組織

Figure  6.  Microstructures of base metal (a–b) and weld (c) in failed welded joint: (a) socket base metal and (b) connecting pipe base metal

2.   開裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，管座及連接管母材的化學(xué)成分、顯微組織、硬度和拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分也符合上海鍋爐廠對(duì)低溫再熱器出口集箱管座和連接管的設(shè)計(jì)選材要求；失效焊接接頭的開裂與母材性能無相關(guān)性。焊接接頭內(nèi)壁焊縫存在根部凸出和咬邊現(xiàn)象，焊縫根部凸出尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，表明焊縫根部成形質(zhì)量差，這與現(xiàn)場焊接過程中焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)有關(guān)。裂紋起源于接頭外壁熱影響區(qū)粗晶區(qū)，沿晶界逐漸向內(nèi)壁擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)壁厚，這是12Cr1MoV鋼中再熱裂紋的典型特征[6，9]。 

12Cr1MoV鋼焊接接頭的安裝應(yīng)力、成形質(zhì)量、焊前預(yù)熱、焊接熱輸入及焊后熱處理等顯著影響再熱裂紋的萌生[6，9，11]。失效焊接接頭為變徑管，距大厚壁再熱器集箱約200 mm，該區(qū)域受力復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，較差的焊接成形質(zhì)量加劇了應(yīng)力集中，使得再熱裂紋在該區(qū)域萌生。焊接過程中存在強(qiáng)力對(duì)口導(dǎo)致接頭中出現(xiàn)焊縫錯(cuò)口，同時(shí)根部對(duì)口間隙大于標(biāo)準(zhǔn)要求，使得焊接接頭受到較大的拘束應(yīng)力。焊前預(yù)熱及焊后熱處理是降低12Cr1MoV鋼焊接殘余應(yīng)力、改善接頭性能、避免再熱裂紋產(chǎn)生的重要方法。查閱該機(jī)組低溫再熱器集箱管座與連接管的施工記錄，施工單位僅采用火焰加熱方式對(duì)管材進(jìn)行150 ℃焊前預(yù)熱1 min，并根據(jù)DL/T 869—2021中“?63.5 mm×4 mm尺寸的12Cr1MoV鋼管焊后可不進(jìn)行焊后熱處理”的原則，未對(duì)該焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，導(dǎo)致焊接接頭的硬度和強(qiáng)度遠(yuǎn)高于12Cr1MoV鋼母材。焊接接頭焊縫的硬度最高，熱影響區(qū)硬度最低，焊縫與熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性匹配差。失效焊接接頭熱影響區(qū)的寬度為3 450~3 815 μm，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求，且熱影響區(qū)粗晶區(qū)的奧氏體晶粒粗大，推測焊接過程中焊接工藝規(guī)范執(zhí)行不當(dāng)，使用了較大焊接電流和過高焊接熱輸入[6]。熱影響區(qū)粗晶區(qū)的粗大奧氏體晶粒增加晶界滑移阻力，裂紋易沿晶界擴(kuò)展；該區(qū)域的韌性儲(chǔ)備能量不足，塑性變形能力差。 

12Cr1MoV鋼焊接接頭處應(yīng)力集中作用明顯，較差的成形質(zhì)量和較大的拘束應(yīng)力加劇了薄弱區(qū)域的應(yīng)力集中，促使再熱裂紋在熱影響區(qū)萌生；較大的焊接電流和過高焊接熱輸入導(dǎo)致熱影響區(qū)過寬，在應(yīng)力作用下為再熱裂紋萌生提供了更多位置；焊前預(yù)熱不充分及焊后未熱處理導(dǎo)致焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力處于較高水平，熱影響區(qū)的韌性儲(chǔ)備能量不足，相應(yīng)的塑性變形能力變差，加劇了熱影響區(qū)塑性應(yīng)變集中效應(yīng)。此外，該低溫再熱器集箱出口服役溫度為533 ℃，正處于12Cr1MoV鋼焊接接頭產(chǎn)生再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間[10]。上述多種因素的耦合作用導(dǎo)致12Cr1MoV焊接接頭在168 h試運(yùn)行期間產(chǎn)生再熱裂紋，再熱裂紋在應(yīng)力作用下快速擴(kuò)展，造成焊接接頭開裂。 

3.   結(jié)論及建議

（1）低溫再熱器出口2Cr1MoV鋼集箱管座與連接管焊接接頭的早期開裂與母材無相關(guān)性。焊接接頭的服役溫度處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接強(qiáng)制對(duì)口產(chǎn)生的拘束應(yīng)力以及未熱處理消除的焊接應(yīng)力的疊加作用導(dǎo)致再熱裂紋在過寬熱影響區(qū)內(nèi)快速萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭開裂。 

（2）建議優(yōu)化低溫再熱器出口焊接接頭結(jié)構(gòu)，采用同管徑同壁厚連接方式；在焊接過程中采用小電流和熱輸入，降低熱影響區(qū)寬度；嚴(yán)禁強(qiáng)力對(duì)口，降低焊接接頭拘束應(yīng)力；焊前預(yù)熱溫度選擇200 ℃，預(yù)熱時(shí)間不短于3 min；焊后進(jìn)行熱處理，降低焊縫硬度、強(qiáng)度和焊接應(yīng)力，提高熱影響區(qū)韌性，改善焊縫與熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性匹配。

文章來源——材料與測試網(wǎng)