摘 要:在檢修期間對(duì)某電廠高溫過熱器出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行磁粉探傷時(shí),發(fā)現(xiàn)存在裂 紋缺陷,采用應(yīng)力分布模擬、顯微組織觀察、硬度測(cè)試等方法,對(duì)該管座焊接接頭進(jìn)行了失效分析。 結(jié)果表明:在長(zhǎng)期高溫服役過程中,高溫過熱器出口集箱管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織老化嚴(yán) 重,老化等級(jí)達(dá)到4.5級(jí),高溫力學(xué)性能明顯下降;同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝強(qiáng)力對(duì)口等施工不當(dāng)造成管屏附 加二次應(yīng)力集中,在附加二次應(yīng)力的作用下,裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力集中 處萌生;隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋內(nèi)基體組織脫碳,焊接接頭發(fā)生高溫蠕變開裂。 

關(guān)鍵詞:高溫過熱器出口集箱;管座焊接接頭;蠕變裂紋;二次應(yīng)力 

中圖分類號(hào):TG407                                                 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                                                  文章編號(hào):1000-3738(2022)09-0106-04 

0 引 言 

在我國(guó)長(zhǎng)期服役的超臨界機(jī)組中,鍋爐受熱面 “四管”泄漏事故時(shí)有發(fā)生,此類事故造成的機(jī)組非 計(jì)劃停機(jī)次數(shù)占到非計(jì)劃停機(jī)事件總數(shù)的30%左 右。鍋爐受熱面中的高溫過熱器出口集箱(以下簡(jiǎn) 稱高過出口集箱)管座焊接接頭因服役條件惡劣,極 易發(fā)生不明原因失效,嚴(yán)重影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定 運(yùn)行,且頻繁的搶修給發(fā)電企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損 失和人力消耗[1]。

2020年5月,在某電廠600MW 超臨界燃煤鍋 爐 A 檢修期間,對(duì)高過出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行 磁粉檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其中40根管座焊接接頭表面存在裂 紋缺陷。鍋爐型號(hào)為 DG1913/25.4-II3,于2007年 投產(chǎn)發(fā)電,截至檢修時(shí),已累計(jì)運(yùn)行約9.2×10 4h。集 箱管座焊接接頭材料均為SA-335P/T91鋼,管屏最 外圈 規(guī) 格 為 ?51 mm ×9.5 mm,其 他 規(guī) 格 為?45mm×8.5mm,共33屏,每屏共20根;焊接方 法主要為鎢極氬弧焊和手工電弧焊,焊接后經(jīng)760℃ 高溫回火處理。管接頭內(nèi)部介質(zhì)為水蒸氣,溫度為 571 ℃,壓力為25.1MPa。為了找到管座焊接接頭 開裂的原因,防止類似問題再次發(fā)生,作者對(duì)高過出 口集箱管座焊接接頭進(jìn)行失效分析[2],并提出了相 應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果 

1.1 裂紋宏觀形貌

采用 MP-A2L 型交流磁軛磁粉檢測(cè)儀對(duì)高過 出口集箱管座焊接接頭進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)40根管座焊 接接頭的裂紋主要分布在高過出口集箱爐后側(cè)管座 焊接接頭上半圈距離熔合線1~2mm 位置處,該區(qū) 域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)粗晶區(qū)[3-4],裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。 其中1根管座焊接接頭的磁粉探傷結(jié)果如圖1所 示,可見現(xiàn) 場(chǎng) 管 座 焊 接 接 頭 上 的 裂 紋 距 熔 合 線 約 1.6mm,裂紋長(zhǎng)約2/5圈,其余部位未見明顯脹粗、 變形、鼓包等特征。

1.2 應(yīng)力分布 

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)部分管座焊接接頭切割后,采用鋼板尺 對(duì)管子的偏移量進(jìn)行測(cè)量,表中管座編號(hào)11-15表 示爐左數(shù)第11排爐前數(shù)第15根,且11-15管座為 無裂紋管座,其余為含裂紋管座。由表1可以看出: 開裂管座焊接接頭切割后的偏移量在33~57 mm 之間,說明開裂管座焊接接頭應(yīng)力較大;無裂紋管座 焊接接頭切割后的偏移量為2mm,偏移量較小,說 明該管座焊接接頭整體附加應(yīng)力較小。 

利用有限元分析軟件建立高過出口集箱及管屏 三維模型,管座區(qū)域網(wǎng)格加密,單元尺寸為2mm× 2mm,假定計(jì)算狀態(tài)為運(yùn)行熱態(tài),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)切割時(shí) 管子的偏移量設(shè)置端部位移邊界條件,考慮運(yùn)行狀 態(tài)下的蒸汽參數(shù)(溫度571 ℃,壓力25.1 MPa),將 集箱中性面固支,對(duì)管座區(qū)域的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬, 結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,在運(yùn)行狀態(tài)下, 管座焊接接頭處存在一定的應(yīng)力集中區(qū),且管座焊 接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)的拉應(yīng)力最大,最大 值為240MPa,該位置與實(shí)際開裂位置一致。

1.3 裂紋微觀形貌和顯微組織 

在編號(hào)11-15、11-18管座焊接接頭裂紋附近截 取金相試樣,經(jīng)磨拋后,用由5g三氯化鐵、50 mL 鹽酸、100mL水組成的溶液腐蝕,采用 DMI5000M 型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出:裂 紋最寬處的寬度約為0.4mm,裂紋從管外壁向內(nèi)壁 擴(kuò)展,長(zhǎng)度約為6.5mm,裂紋兩側(cè)組織出現(xiàn)脫碳現(xiàn) 象,說明裂紋長(zhǎng)期受到高溫氧化作用,主裂紋尖端組 織中出現(xiàn)了微裂紋?？芍?該管座焊接接頭發(fā)生高 溫蠕變開裂。與未服役的新管組織相比,熱影響區(qū) 粗晶區(qū)中馬氏體板條位向嚴(yán)重分散或消失,僅有少 量仍保留馬氏體板條形態(tài),板條界、晶界處碳化物增 多,且主要呈球狀、串鏈狀,按照 DL/T884-2019標(biāo) 準(zhǔn)判斷組織的老化級(jí)別為4.5級(jí)。焊縫區(qū)域的馬氏 體板條位向明顯分散,板條內(nèi)分布的碳化物減少,晶 界碳化物增多,尺寸粗化,呈顆粒狀,組織的老化級(jí)別 為3級(jí);母材未經(jīng)焊接熱循環(huán)作用,馬氏體板條位向 分散,板條內(nèi)分布的碳化物減少,板條界、晶界碳化物 粗化,有的呈串鏈狀,組織的老化級(jí)別為3.5級(jí);內(nèi)壁蒸汽側(cè)氧化層可分為外層、中間層和內(nèi)層3個(gè)區(qū)域, 這是由氧分壓隨氧化層深度降低所致[5],氧化層總厚 度在450~496μm,內(nèi)部可見明顯脫碳層。編號(hào)11- 15未開裂管座焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)粗晶區(qū)、母材 區(qū)組織老化級(jí)別與編號(hào)11-18開裂管座接頭的相應(yīng) 區(qū)域基本相同,無明顯差異。

1.4 顯微硬度

采用402MVD型維氏硬度計(jì)對(duì)編號(hào)11-15、11- 18管座焊接接頭處的顯微硬度進(jìn)行測(cè)試,載荷為 0.98N,保載時(shí)間為15s,測(cè)試位置為焊縫區(qū)域、裂 紋區(qū)域和未經(jīng)焊接熱循環(huán)的母材區(qū)域。由表2可以 看出:2根管座焊縫平均硬度分別為202,207 HV, 母材平均硬度分別為196,191 HV,裂紋區(qū)域即熱 影響區(qū)粗晶區(qū)的平均硬度分別為164,167HV。按 照 GB/T1172-1999和 DL/T438-2016,焊縫和 母材區(qū)域的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求,而熱影響區(qū)粗晶區(qū) 的硬度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求。顯微硬度結(jié)果與組織老 化評(píng)級(jí)相對(duì)應(yīng),即隨著組織老化級(jí)別的增加,顯微硬 度降低。 

2 失效原因分析

由上述檢驗(yàn)結(jié)果可知:高溫過熱器出口集箱40 根管座焊接接頭上半圈位置大多存在表面裂紋,裂 紋位于距熔合線1~2mm 的熱影響區(qū)粗晶區(qū),部分 裂紋長(zhǎng)度已達(dá)6.5mm,主裂紋尖端組織中可見明顯 蠕變微裂紋特征;管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)經(jīng) 歷了1100~1300 ℃焊接熱循環(huán)作用,以及隨后約 760℃的高溫回火作用,組織粗大,在長(zhǎng)期高溫條件 下服役后,組織加速老化,馬氏體板條位向嚴(yán)重分散 或消失,碳化物發(fā)生Ostwald熟化,呈球狀、串鏈狀分布在晶界、板條界處[6-8],老化等級(jí)為4.5級(jí)。焊縫 區(qū)和母材組織的老化級(jí)別分別為3級(jí)和3.5級(jí)。經(jīng) 過長(zhǎng)期高溫服役后,管座焊接接頭焊接熱影響區(qū)粗晶 區(qū)組織的老化級(jí)別明顯高于焊縫和母材。管座焊接 接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)的硬度為164~167HV,低于標(biāo) 準(zhǔn)要求,這與熱影響區(qū)粗晶區(qū)的組織老化有關(guān)。

開裂 管 座 焊 接 接 頭 切 割 后 管 子 的 偏 移 量 在 33~57mm 之間,可知開裂管座服役時(shí)存在較大附 加應(yīng)力。管座表面的附加應(yīng)力為二次應(yīng)力,主要來 自安裝基建階段管屏和集箱管接頭現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)力對(duì)口所 產(chǎn)生的應(yīng)力,還來自管屏現(xiàn)場(chǎng)不合理的吊裝卸載工 序使焊接接頭表面產(chǎn)生的集中應(yīng)力。為滿足整體變 形協(xié)調(diào)條件,在結(jié)構(gòu)不連續(xù)或相鄰件連接部位及其 鄰近區(qū)域產(chǎn)生的附加應(yīng)力的最大當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)小于3 倍材料許用應(yīng)力[9]。A335/T91鋼在571 ℃工作溫 度下的許用應(yīng)力為91MPa,管座焊接接頭的最大拉 應(yīng)力為240MPa,小于3倍許用應(yīng)力273MPa,但剩 余的安全余量有限。 

綜上所述,在基建安裝階段高過出口集箱管座 焊接接頭存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,其中管座焊接接頭上 半圈應(yīng)力集中最明顯,剩余安全余量有限。在長(zhǎng)期 高溫服役啟停調(diào)峰過程中,管座焊接接頭熱影響區(qū) 粗晶區(qū)組織老化程度明顯大于母材和焊縫區(qū)域,高 溫力學(xué)性能明顯下降。在附加二次應(yīng)力的作用下, 微裂紋在管座焊接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力 集中處萌生;隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋內(nèi)基體組織 脫碳,焊接接頭中形成高溫蠕變裂紋。

3 結(jié) 論

(1)在長(zhǎng)期高溫服役過程中,高溫過熱器出口 集箱管座焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織老化嚴(yán)重, 老化等級(jí)達(dá)到4.5級(jí),高溫力學(xué)性能明顯下降,同時(shí) 現(xiàn)場(chǎng)安裝強(qiáng)力對(duì)口等施工不當(dāng)造成管屏附加二次應(yīng)力集中;在附加二次應(yīng)力的作用下,微裂紋在管座焊 接接頭上半圈熱影響區(qū)粗晶區(qū)應(yīng)力集中處萌生。隨 著服役時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋內(nèi)基體組織脫碳,焊接接頭 發(fā)生高溫蠕變開裂。

(2)建議在設(shè)計(jì)制造階段采用加強(qiáng)型管座接 頭,并嚴(yán)格控制焊接熱輸入,降低熱循環(huán)作用范圍; 現(xiàn)場(chǎng)安裝階段應(yīng)避免強(qiáng)力對(duì)口等施工不當(dāng)造成管座 接頭處產(chǎn)生附加二次應(yīng)力;在服役檢修期,應(yīng)加強(qiáng)對(duì) 管座焊接接頭的質(zhì)量檢查,必要時(shí)采用割管進(jìn)行應(yīng) 力分析和實(shí)驗(yàn)室理化性能檢驗(yàn),應(yīng)重視焊接接頭熱 影響區(qū)粗晶區(qū)的組織性能評(píng)估。

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<文章來源  > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 機(jī)械工程材料 > 46卷 > 9期 (pp:106-109)>