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某電廠低溫再熱器管失效分析

  • 來源: 大唐華東電力試驗研究院
  • 作者: 王嚴
  • 發布時間: 2018-07-18

0概述

焊接作為電廠受熱面管和壓力管道連接的主要王嚴方式。焊接質量的好壞對機組的安全運行起到至關重要的作用。近年來,由于焊接質量問題造成受熱面管和壓力管道失效情況時有發生。某電廠3號機組的低溫再熱器管發生泄漏,材質為12Cr1MoV,規格為Ф63.5×4.5mm,截止發生泄漏時累計運行時間約4.5萬小時。

1 理化檢驗

1.1宏觀檢查

 

圖1 來樣管子宏觀形貌

圖1為發生開裂失效的管段,由圖可知,管子在焊縫熔合線附近發生開裂,開裂總長度約為1/2圓周,開裂位置管子無明顯脹粗和塑性變形,且附近存在3處被鄰近管子泄漏蒸汽吹損減薄的爆口;焊縫上存在3處氣孔,而開裂位置附近存在一條長約15mm的獨立裂紋。經測量,來樣管子離焊縫200mm處的角變形(如圖1c所示)為2.5mm,不滿足標準DL/T 869-2012《火力發電廠焊接技術規程》要求,DL/T 869-2012標準中7.1.4條款規定對于直徑≤100mm的管子,離焊縫200mm處的角變形α≤2mm。

1.2機械性能試驗

在來樣管子上按標準要求截取包括焊接接頭的拉伸試樣,在CMT5105型電子萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗,結果見表1。從圖1中位置(1)-(7)分別截取硬度試樣,在BH-3000型布氏硬度計上進行布氏硬度試驗,結果見表2。

表1 來樣管子室溫力學性能試驗結果

 

表2 來樣管子布氏硬度試驗結果

 

由表1可知,來樣管子的延伸率低于標準要求,而抗拉強度和屈服強度符合標準要求。由表2可知,管子母材硬度符合標準要求,而焊縫、熱影響區和裂紋附近硬度偏高,均高于或接近標準上限值,且焊縫和熱影響區與母材存在較大的硬度梯度。

1.3金相檢驗

在圖1中的位置(1)和(3)(管子母材),位置(4)和(5)(吹損減薄處),位置(2)(獨立裂紋處)和位置(6)(開裂處),位置(7)(未發生開裂的焊接接頭)分別切取金相試樣,試樣經磨制拋光后,用4%硝酸酒精溶液腐蝕,并在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察試樣的組織形態。

 

圖2 位置(1)處金相組織圖片

由圖2可知,位置(1)處母材管子內壁有約0.07mm厚的氧化皮。基體組織晶粒度6級左右,珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級

 

圖3 位置(2)處金相組織圖片

  由圖3可知,位置(2)焊縫焊趾附近存在一條長約2.7mm的裂紋,裂紋存在一定張角,走向基本為沿晶型,裂紋尖端存在數條小裂紋,并呈擴展形態,裂紋內部存在氧化物,且主裂紋附近存在沿晶微裂紋。焊縫組織為貝氏體,組織較為粗大,并存在多個氣孔。熱影響區組織為貝氏體,組織較為粗大。母材組織為鐵素體+珠光體(貝氏體),珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級。

 

圖4位置(3)處金相組織圖片

  由圖4可知,位置(3)處母材管子內壁有約0.07mm厚的氧化皮。基體組織晶粒度7級左右,珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級。

 

圖5 位置(4)處金相組織圖片

由圖5可知,位置(4)吹損減薄處管子內壁有約0.088mm厚的氧化皮。基體組織晶粒度6級左右,珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級。

 

圖6 位置(5)處金相組織圖片

由圖6可知,位置(5)吹損減薄處管子內壁有約0.06mm厚的氧化皮。基體組織晶粒度7級左右,珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級。

 

圖7 位置(6)處金相組織圖片

由圖7可知,開裂處外壁存在氧化皮,且裂紋走向為沿晶型,而開裂處內壁呈撕裂狀,可見裂紋起源于外壁,并向內壁不斷擴展。開裂處附近熱影響區組織為細小等軸晶(重結晶區),大量碳化物沿晶界析出并聚集分布。焊縫組織為貝氏體。母材組織晶粒度6級左右,聚集形態的珠光體(貝氏體)已經開始分散,但區域完整,組成較為致密,部分碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化2級。

 

圖8 位置(7)處金相組織圖片

由圖8可知,位置7(未發生開裂焊接接頭)處熱影區和焊縫均為貝氏體組織,組織較為粗大。母材組織晶粒度6-7級,珠光體(貝氏體)區域完整,組成致密,少量碳化物沿鐵素體晶界和基體分布,球化1-2級。

2 結果分析

如前文所述,管子母材組織和硬度無異常。獨立裂紋處(位置(2))焊縫組織為貝氏體,組織較為粗大,并存在多個氣孔,熱影響區組織為貝氏體,組織較為粗大。開裂處(位置(6))附近熱影響區組織為細小等軸晶(重結晶區),大量碳化物沿晶界析出并聚集分布,焊縫組織組織均為貝氏體。對比焊接接頭(未發生開裂,位置(7))處熱影區和焊縫組織均為貝氏體,組織較為粗大。可見,來樣管子焊接接頭焊縫和熱影響區組織存在過熱跡象,且焊縫和熱影響區硬度偏高,硬度值大于或接近標準上限值,焊縫及熱影響區與母材存在較大的硬度梯度。同時,力學性能試驗結果表明來樣管子的延伸率低于標準要求。

查詢焊接工藝卡,來樣管子焊接接頭采用全氬弧焊焊接,焊絲為TIG-R31,焊后未進行熱處理。焊接接頭焊縫和熱影響區組織存在過熱跡象,且焊縫和熱影響區硬度偏高,原因為焊接時線能量過大或焊接速度過慢導致。另外,焊后未進行熱處理,會導致焊接接頭存在殘余應力。

 

圖9 來樣泄漏管子X射線底片

來樣管子焊接接頭X射線底片如圖9所示。由圖可知,焊縫外壁存在咬邊現象。另外,根據現場勘測可知,發生泄漏的低溫再熱器管水平布置,發生泄漏的焊縫離省煤器懸吊管距離僅為200mm。

3 結論

綜上所述,來樣管子在焊接時線能量過大或焊接速度過慢導致焊縫及熱影響區存在過熱組織,且焊縫和熱影響區硬度偏高,過熱組織使焊縫和熱影響區塑性和韌性下降。焊縫咬邊缺陷造成應力集中,而焊接接頭存在折口超標,使焊接接頭存在附加應力,焊縫附近的懸吊管受到煙氣影響存在機械振動,使焊縫受到交變應力。在上述因素的綜合作用下,焊縫外壁咬邊缺陷處形成微裂紋,裂紋不斷擴展,并造成管子最終泄漏。

4 建議

(1) 嚴格控制焊接工藝,加強焊接接頭的質量驗收,綜合利用焊接接頭無損探傷和表面硬度檢測手段保證焊接接頭的各項指標符合標準要求。

(2) 加強同批次焊接接頭的金屬監督檢驗力度,著重開展焊接接頭的表面探傷(磁粉/滲透)工作,利用檢修機會割管抽檢管子焊接質量,確保鍋爐安全運行。


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