高导管疏水焊口断裂原因分析

高导管疏水焊口断裂原因分析白泽洪刘洪洋（大唐发电股份有限公司张家口发电厂塔山分厂，山西大同037001）摘要：12Cr1MoVG耐热钢是电厂历经多年使用的耐热钢材料，有着成熟的焊接、热处理工艺，然而塔山电厂1号机组在投运仅两个月就发生高压导汽管断裂事故，被迫申请停机，造成一定的经济损失和不良影响。本文作者通过对本次断裂原因进行细致分析，并提出相应的防范措施，重在引起各级对焊接工作的重视，避免此类事故再次发生。关键词：12Cr1MoVG再热裂纹分析1前言1.1工程概况同煤大唐塔山发电有限公司2×600MW空冷机组为亚临界燃煤发电机组。锅炉为哈尔滨锅炉厂生产，型号为HG-2080/17.5-YM9；汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产，型号为NZK600-16.7/538/538；发电机为哈尔滨电机厂生产，型号为QFNS-600-2YGH。1.2锅炉主要参数过热蒸汽流量：2080t/h过热器出口蒸汽压力：17.5Mpa过热器出口蒸汽温度：541℃再热器出口蒸汽压力：3.63MPa再热器出口蒸汽温度：541℃1.3汽轮机额定工况主要参数额定功率600MW主蒸汽压力16.67MPa主蒸汽温度538℃再热蒸汽压力3.191MPa再热蒸汽温度538℃1.4运行状况塔电#1机组于2008年7月通过168小时试运正式移交生产，距高导疏水管断裂累计运行时间为1200小时。2断裂部位介绍高压导汽管疏水管，位于汽机13.6m平台处，断裂部位上部与高压导汽管相连接，下部经过三通后连接到疏水母管，整体结构情况见图1所示，断裂部位与高导管管座150mm见图2所示。图1图23焊接工艺及热处理工艺3.1高压导汽管疏水材质为12Cr1MoVG、规格为φ40×9mm；3.2经核查承建单位安装焊接作业指导书和工艺卡，焊接工艺如下：采用全氩弧焊焊接，焊丝R31焊丝直径φ2.5,极性为：正极；焊接电流：115-130A；焊接速度：29~31mm/min。现场了解，未进行焊前预热和焊后热800mm高压导汽管断裂处处理；4断口位置及断裂特征4.1断口宏观形貌分析从断口外观看，断口的宏观形貌的基本特征为粗瓷状；断裂前没有明显塑性变形，断口附近没有颈缩现象；断口与正应力垂直，断口表面平齐，边缘没有剪切唇。断口的颜色较灰暗（但比韧性断口要亮），且呈规则的粗糙表面，符合沿晶断裂特征。图3图44.2焊口断裂区域开裂表面花纹，指向焊口外表面的熔合线处，也即裂纹源。距焊缝根部最宽处1.7mm，沿着距熔合线1mm的热影响区周圈断开，断口部分均为母材。5裂纹产生的原因5.1断裂区域分析从开裂部位看，裂纹从熔合线引发裂纹源，并没有沿着熔合线继续发展，而是转向热影响区1mm处，形成周圈开裂，由下图“焊接热影响区的温度分布与状态图的关系”可知，此区域为粗晶过热区，加热温度在1450-1100℃，在焊后不进行后热处理，形成粗大的组织，横跨淬火区和部分淬火区，强度分布如下图“调质钢焊接HAZ的硬度分布”；由图可知，此区域为焊接强度硬化和软化过渡区，是焊缝强度变化最大，最薄弱的区域。5.2焊接工艺分析相邻两焊口布置仅有30mm，在下道焊口施焊过程中，由于壁厚有9mm，大的熔焊热量只能沿着管壁释放，管径较小，所传导的热量沿着长度方向增加，使该焊口温度一直处在较高的温度区间，形成二次加热。高压导汽管与疏水管相连接的管段较短，且疏水管下部转弯处被刚性固定，在启停机时受热应力的影响无法自由膨胀，导致焊口承受很大的热应力。焊后未按照工艺要求进行去应力热处理。5.3组织分析图5图5为断口处金相组织照片，从照片特征分析，断口处为裂纹沿晶开裂特征。沿晶开裂特征是由于材料晶内强度大于晶界强度，在应力的作用下发生的开裂现象。5.4再热裂纹的形成机理再热裂纹是由于高温下晶界强度低于晶内强度，晶界优先于晶内发生滑移变形，使变形集中在晶界上，当晶界的实际变形量超过了它的塑性变形能力时，就会发生裂纹。实际的塑性应变主要由焊接接头的残余应力在加热过程中发生应力松弛而引起，它与接头的拘束度和应力集中有关。而晶界的塑性变形能力，则取决于晶界性质，晶内抗蠕变能力及晶粒大小等因素，由于杂质在晶界偏析而导致晶界塑性变形能力的减弱，将使接头的再热裂纹倾向增大；而当晶内存在沉淀相时，由于晶内抗蠕变能力增大，促使塑性变形更容易集中在晶界发展，从而再热裂纹倾向也相应增加。也即再热裂纹的产生是晶界相对弱化或晶内相对强化所造成。再热裂纹都是发生在焊接热影响区的过热粗晶组织中，并且有晶间开裂的特征。焊缝和热影响区的细晶组织均不产生再热裂纹，裂纹的走向是沿融合线在奥氏体粗晶边界扩展，有些裂纹是断续的，遇细晶区就停止扩展。产生再热裂纹与再热温度和再热时间有密切关系，并存在一个最易产生再热裂纹的温度区间。对于一般的低合金高强钢来说，约在500-700℃之间。在进行消除内应力处理之前，只有当焊接接头中存在较大残余应力，应有不同程度的应力集中时，才会出现再热裂纹。产生再热裂纹的原因有二：一是与钢中所含碳化物形成元素（Cr、Mo、V、Ti及B等）有关。如珠光体耐热钢中的V元素，会使SR裂纹敏感性显著增加；二是与加热速度和加热时间有关，不同的钢种存在不同的易产生再热裂纹的敏感温度范围。因此，在制定焊后热处理工艺时，应尽量减少焊件在敏感温度范围内的停留时间。前者是内在因素，后者是外在成因。由以上分析可以判定，该焊口是由于在较大的拘束应力下，对该焊口进行了二次加热，且未进行去应力热处理造成应力高度集中，形成沿晶断裂的再热裂纹断裂。6预防裂纹产生的措施6.1合理使用焊接方法，确定焊接线能量，是控制过热区的有效措施。过热粗晶区是焊口最薄弱的部位，减小过热区，对防止再热裂纹的产生有重要意义。焊接方法及热输入是影响过热粗晶区的主要因素，主要表现在是增大还是减小过热粗晶区，采用TIG焊接，减小焊接电流，可有效避免再热裂纹的产生。6.2预热也是防止产生再热裂纹的有效措施。再热裂纹产生的必备条件是要有足够大的内应力，通常有再热裂纹倾向的钢种也有冷裂纹倾向，所以预热具有同时防止两种裂纹的双重作用。但是为了防止再热裂纹应采取比单纯防止冷裂纹更高的预热温度或配合后热，才能有效的防止再热裂纹的产生。6.3减少焊接残余应力和消除应力集中源是减少再热裂纹的重要措施。焊件若存在较大残余应力，在进行消除应力热处理之前接头粗晶区就可能存在有微裂纹。在这种情况下，消除应力处理过程中就会加速产生再热裂纹。应力集中对再热裂纹影响十分明显，随着应力集中系数的增大，再热裂纹倾向就越大，所以在焊接时就要设法降低应力集中的水平，利用锤击法、对称焊等方法避免在后热处理前发生微裂纹。6.4改进结构设计。减少接头刚度和消除应力集中因素。必要时，要在焊后消除应力处理之前，消除焊缝余高，减少焊趾的应力集中。6.5提高焊接质量，减少焊接缺陷，防止咬边、未焊透等缺陷。6.6合理地安排装配和焊接顺序，以减少接头的拘束度，降低残余应力程度。6.7必要时对焊缝表面重熔。既焊后在消除应力处理之前，利用钨极氩弧焊对焊缝表层进行重熔，可以减少接头的残余应力，降低再热裂纹倾向。7从本例中总结出的经验7.1要严格控制焊口两间距，避免在焊接中进行二次加热。7.2合理布置焊口位置，要留有足够的膨胀余量，减少焊口在冷热变化中产生的应力集中。7.3对厚度大于等于8mm的12Cr1MoVG钢的焊接，焊后应进行去应力热处理。7.4提高焊接人员、金属监督人员的责任心，层层把关，真正将焊接工艺落实到每一道工序中。8结束语再热裂纹在电厂中出现的并不多，但是危害十分严重，如果不及时处理，就有可能引发如本文中介绍的泄漏甚至断裂事件，直接影响到电厂的安全稳定运行。作者认为只有各级从业人员提高认识、细化流程工艺、严格过程管理，将隐患消于萌芽，才能杜绝此类事故的发生，才能在真正意义上做到“本质”安全！[参考文献][1]DL/T《火力发电厂焊接技术规程》.北京.中华人民共和国国家发展和改革委员会.2004[2]DL/T_773-2001火电厂用12CrlMoV钢球化评级标准[3]崔约贤.王长利.金属断口分析.哈尔滨.哈尔滨工业大学出版社.1998[4]陈祝年.焊接工程师手册.北京.机械工业出版社.2002[5]孟广喆.贾安东.焊接结构强度和断裂.北京.机械工业出版社.1986[6]柳金海.陈百诚.金属管道焊接工艺手册.北京.机械工业出版社.2005[7]田燕.焊接区断口金相分析.北京.机械工业出版社.1991作者简介：白泽洪：男，（1963-），张家口发电厂塔山分厂设备部金属监督主管。联系电话：[phone]刘洪洋：男，（1979-），工程师，张家口发电厂塔山分厂设备部副部长。联系电话：[phone]