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某电厂低温再热器管失效分析

  • 来源: 大发彩票华东电力试验研究院
  • 作者: 王严
  • 发布时间: 2018-07-18

0概述

焊接作为电厂受热面管和压力管道连接的主要王严方式。焊接质量的好坏对机组的安全运行起到至关重要的作用。近年来,由于焊接质量问题造成受热面管和压力管道失效情况时有发生。某电厂3号机组的低温再热器管发生泄漏,材质为12Cr1MoV,规格为Ф63.5×4.5mm,截止发生泄漏时累计运行时间约4.5万小时。

1 理化检验

1.1宏观检查

 

图1 来样管子宏观形貌

图1为发生开裂失效的管段,由图可知,管子在焊缝熔合线附近发生开裂,开裂总长度约为1/2圆周,开裂位置管子无明显胀粗和塑性变形,且附近存在3处被邻近管子泄漏蒸汽吹损减薄的爆口;焊缝上存在3处气孔,而开裂位置附近存在一条长约15mm的独立裂纹。经测量,来样管子离焊缝200mm处的角变形(如图1c所示)为2.5mm,不满足标准DL/T 869-2012《火力发电厂焊接技术规程》要求,DL/T 869-2012标准中7.1.4条款规定对于直径≤100mm的管子,离焊缝200mm处的角变形α≤2mm。

1.2机械性能试验

在来样管子上按标准要求截取包括焊接接头的拉伸试样,在CMT5105型电子万能试验机上进行室温拉伸试验,结果见表1。从图1中位置(1)-(7)分别截取硬度试样,在BH-3000型布氏硬度计上进行布氏硬度试验,结果见表2。

表1 来样管子室温力学性能试验结果

 

表2 来样管子布氏硬度试验结果

 

由表1可知,来样管子的延伸率低于标准要求,而抗拉强度和屈服强度符合标准要求。由表2可知,管子母材硬度符合标准要求,而焊缝、热影响区和裂纹附近硬度偏高,均高于或接近标准上限值,且焊缝和热影响区与母材存在较大的硬度梯度。

1.3金相检验

在图1中的位置(1)和(3)(管子母材),位置(4)和(5)(吹损减薄处),位置(2)(独立裂纹处)和位置(6)(开裂处),位置(7)(未发生开裂的焊接接头)分别切取金相试样,试样经磨制抛光后,用4%硝酸酒精溶液腐蚀,并在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相显微镜下观察试样的组织形态。

 

图2 位置(1)处金相组织图片

由图2可知,位置(1)处母材管子内壁有约0.07mm厚的氧化皮。基体组织晶粒度6级左右,珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级

 

图3 位置(2)处金相组织图片

  由图3可知,位置(2)焊缝焊趾附近存在一条长约2.7mm的裂纹,裂纹存在一定张角,走向基本为沿晶型,裂纹尖端存在数条小裂纹,并呈扩展形态,裂纹内部存在氧化物,且主裂纹附近存在沿晶微裂纹。焊缝组织为贝氏体,组织较为粗大,并存在多个气孔。热影响区组织为贝氏体,组织较为粗大。母材组织为铁素体+珠光体(贝氏体),珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级。

 

图4位置(3)处金相组织图片

  由图4可知,位置(3)处母材管子内壁有约0.07mm厚的氧化皮。基体组织晶粒度7级左右,珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级。

 

图5 位置(4)处金相组织图片

由图5可知,位置(4)吹损减薄处管子内壁有约0.088mm厚的氧化皮。基体组织晶粒度6级左右,珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级。

 

图6 位置(5)处金相组织图片

由图6可知,位置(5)吹损减薄处管子内壁有约0.06mm厚的氧化皮。基体组织晶粒度7级左右,珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级。

 

图7 位置(6)处金相组织图片

由图7可知,开裂处外壁存在氧化皮,且裂纹走向为沿晶型,而开裂处内壁呈撕裂状,可见裂纹起源于外壁,并向内壁不断扩展。开裂处附近热影响区组织为细小等轴晶(重结晶区),大量碳化物沿晶界析出并聚集分布。焊缝组织为贝氏体。母材组织晶粒度6级左右,聚集形态的珠光体(贝氏体)已经开始分散,但区域完整,组成较为致密,部分碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化2级。

 

图8 位置(7)处金相组织图片

由图8可知,位置7(未发生开裂焊接接头)处热影区和焊缝均为贝氏体组织,组织较为粗大。母材组织晶粒度6-7级,珠光体(贝氏体)区域完整,组成致密,少量碳化物沿铁素体晶界和基体分布,球化1-2级。

2 结果分析

如前文所述,管子母材组织和硬度无异常。独立裂纹处(位置(2))焊缝组织为贝氏体,组织较为粗大,并存在多个气孔,热影响区组织为贝氏体,组织较为粗大。开裂处(位置(6))附近热影响区组织为细小等轴晶(重结晶区),大量碳化物沿晶界析出并聚集分布,焊缝组织组织均为贝氏体。对比焊接接头(未发生开裂,位置(7))处热影区和焊缝组织均为贝氏体,组织较为粗大。可见,来样管子焊接接头焊缝和热影响区组织存在过热迹象,且焊缝和热影响区硬度偏高,硬度值大于或接近标准上限值,焊缝及热影响区与母材存在较大的硬度梯度。同时,力学性能试验结果表明来样管子的延伸率低于标准要求。

查询焊接工艺卡,来样管子焊接接头采用全氩弧焊焊接,焊丝为TIG-R31,焊后未进行热处理。焊接接头焊缝和热影响区组织存在过热迹象,且焊缝和热影响区硬度偏高,原因为焊接时线能量过大或焊接速度过慢导致。另外,焊后未进行热处理,会导致焊接接头存在残余应力。

 

图9 来样泄漏管子X射线底片

来样管子焊接接头X射线底片如图9所示。由图可知,焊缝外壁存在咬边现象。另外,根据现场勘测可知,发生泄漏的低温再热器管水平布置,发生泄漏的焊缝离省煤器悬吊管距离仅为200mm。

3 结论

综上所述,来样管子在焊接时线能量过大或焊接速度过慢导致焊缝及热影响区存在过热组织,且焊缝和热影响区硬度偏高,过热组织使焊缝和热影响区塑性和韧性下降。焊缝咬边缺陷造成应力集中,而焊接接头存在折口超标,使焊接接头存在附加应力,焊缝附近的悬吊管受到烟气影响存在机械振动,使焊缝受到交变应力。在上述因素的综合作用下,焊缝外壁咬边缺陷处形成微裂纹,裂纹不断扩展,并造成管子最终泄漏。

4 建议

(1) 严格控制焊接工艺,加强焊接接头的质量验收,综合利用焊接接头无损探伤和表面硬度检测手段保证焊接接头的各项指标符合标准要求。

(2) 加强同批次焊接接头的金属监督检验力度,着重开展焊接接头的表面探伤(磁粉/渗透)工作,利用检修机会割管抽检管子焊接质量,确保锅炉安全运行。


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