摘 要:某12Cr1MoVG 钢锅炉高压蒸汽管道对接接头的焊缝和热影响区出现多处裂纹。采用 宏观观察、化学成分分析、力学性能测试、硬度测试、金相检验及扫描电镜分析等方法,对开裂的原 因进行了分析。结果表明:在焊丝材料不合格、焊接工艺参数控制不当、管道长期处于再热裂纹敏 感温度区间工作和热应力等因素的综合作用下,对接接头发生了开裂。
关键词:主蒸汽管;对接接头;再热裂纹;焊接工艺
中图分类号:TG457.11;TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)07-0035-03
某公司1号锅炉汽机侧管道在全面检验期间, 超声检测时发现其中主蒸汽管道的多条对接焊缝中 存在横向裂纹,严重影响了锅炉的安全运行。该管 道服役年限为12a,材料为12Cr1MoVG 钢,规格为 273 mm ×20 mm (外 径 × 壁 厚 ),工 作 压 力 为 9.8MPa,运行温度为 540 ℃。焊接方法采用钨极 氩弧焊 打 底,手 工 电 弧 焊 填 充 和 盖 面。打 底 使 用 TIG-G31焊丝,填充和盖面使用 R317焊条。焊接 预热温度为200~300 ℃,焊后热处理温度为720~ 760℃。为查明该管道焊缝中裂纹产生的原因,笔 者对其进行了理化检验及分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
主蒸汽管道裂纹处宏观形貌如图1所示,由图 1可以看出:整个壁厚方向上均有裂纹产生。将焊 缝余高打磨平整后,发现裂纹分布于热影响区和焊 缝中,且不连续。
1.2 化学成分分析
采用 ARL4460 型 直 读 光 谱 仪 分 别 对 根 层 焊 缝、焊缝表面和两侧母材进行化学成分分析,结果如 表1所示。由表1可知:根层焊缝中的 Si,Mn元素 含量低于 DL/T869—2012 《火力发电厂焊接技术 规 程 》的 要 求,焊 缝 表 面 的 化 学 成 分 符 合 DL/T869—2012 的 要 求,母 材 的 化 学 成 分 符 合 GB/T5310—2008 《高 压 锅 炉 用 无 缝 钢 管》中 对 12Cr1MoVG 钢的要求。
1.3 力学性能测试
分别在母材和对接接头处取样进行力学性能测 试,结果表明母材和对接接头的力学性能分别符合 GB/T5310—2008和 DL/T869—2012的要求(见 表2)。
1.4 硬度测试
对焊缝处、热影响区及母材进行维氏硬度测试, 结果 如 表 3 所 示。 由 表 3 可 知:母 材 硬 度 高 于 GB/T5310-2008的要求,焊缝、热影响区的硬度 符合 DL/T869-2012的要求。
1.5 金相检验
对焊缝处进行金相检验,焊缝处的显微组织为 贝氏体+网状铁素体,未见明显老化(见图2)。裂 纹起始于粗晶区,终止于细晶区,沿晶开裂,部分裂 纹沿铁素体与贝氏体的界面扩展,裂纹内部形成了 氧化层(见图3)。
1.6 扫描电镜分析
对裂纹处进行扫描电镜(SEM)分析,可见裂纹 尖端有连续密集的孔洞分布在晶界上,孔洞进一步 发展成了沿晶的微裂纹(见图4)。
2 综合分析
上述理化检验结果表明:母材和对接接头的力学 性能、硬度均符合标准要求;根层焊缝中的 Mn,Si元素 含量低于标准 DL/869—2012的要求,焊丝材料不合 格。再热裂纹敏感性评价的经验公式[1]如式(1)所示。
式中:ΔG 为再热裂纹敏感指数;wCr 为 Cr元素质量 分数;wMo 为 Mo元素质量分数;wV 为 V 元素质量 分数。
根据式(1)计算得,根层焊缝的 ΔG=2.53,焊缝 表面的 ΔG=2.41,均大于0,说明该焊缝容易产生 再热裂纹。
由于焊接工艺参数控制不当,焊缝的显微组织 较差,产生了网状铁素体,割裂了组织间的联系,降 低了整体的塑性和韧性。SEM 分析结果表明:晶界 上产生了孔洞,孔洞相互串联形成微裂纹,微裂纹逐 渐长大、扩展、相互连接,最终形成宏观裂纹。该管 在焊接过程及服役期间,焊缝表面形成粗晶区,强度 和塑性降低,加上网状铁素体导致的晶界弱化,在晶界上容易产生孔洞,且粗晶区通常会产生应力集中, 形成裂纹源。萌生裂纹由粗晶区向细晶区沿晶扩 展,在细晶区终止,整体符合再热裂纹的特征。
12Cr1MoVG 钢存在一定的再热裂纹倾向,尤 其在500~700℃最为敏感,而管道的运行温度正处 于该区间 内,从 而 使 得 其 发 生 再 热 裂 纹 的 倾 向 加 大[2-3],晶粒粗化也会加大再热裂纹的产生[4]。
3 结论
由于主蒸汽管道焊接材料中含有促使形成再热 裂纹的沉淀强化元素,在焊接工艺参数控制不当、长 期处于再热裂纹敏感温度区间工作和热应力等因素 的综合作用下,产生了再热裂纹,最终导致管道开裂。
参考文献:
[1] 周振丰,张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京: 机械工业出版社,1988.
[2] 赵彦芬,张路,张欣原,等.高 温 主 汽 用 15X1M1Φ 钢 接头失效及解决措施[J].中国电力,2010,43(8):1- 6.
[3] 陈忠兵,赵彦芬,赵 建 仓,等.厚 壁 12Cr1MoVG 钢 焊 接接头裂纹分析及其控制[J].中国电机 工 程 学 报, 2012,32(35):137-143.