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CFB锅炉受热面12Cr1MoVG钢安装对接焊缝裂纹原因分析及处理 |
作 者: 山东成远实业有限公司 |
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摘要目前，新建火电机组普遍存在建设工期短，存在冬季受热面安装施工的现象，北方冬季天气寒冷，给耐热合金钢的焊接带来许多不利，投产运行后极易产生裂纹，从而造成机组“非停”。本文通过对失效管件的分析研究，找到了硬度超标是产生裂纹的主要原因，最后通过理论分析和实验确定了合理的解决办法。某电厂SG-1178t/18.64/540℃循环流化床锅炉，截止目前机组累计运行1.5万小时。锅炉高温过热器布置结构为L型，规格为φ51×7.5mm，12Cr1MoVG，共12屛。历史3次检修中高温过热器对接安装焊口先后共发现了裂纹，形貌类同。单台机组该类焊缝共约2500道，裂纹产生和扩展周期不定，检测工作量繁重，需求工期长，给监督带来了难题。为了分析裂纹产生原因，寻求解决办法，本文对该钢的性能、裂纹产生原因、硬度超标原因、热处理工艺等进行了分析、试验和研究。对开裂泄漏的高温过热器管进行宏观形貌检察。该管子裂口位于焊缝与母材过渡较为尖锐一侧的熔合线处，开口较小，裂口处管子未见胀粗，边缘未见减薄，外表未见严重氧化皮及平行于裂口的裂纹。对开裂的高温过热器管取样进行化学成分检测。结果表明，取样管化学成分中各元素含量符合标准要求，对开裂泄漏的高温过热器管取样进行显微组织检测，焊缝组织为贝氏体，晶粒呈等轴状均匀分布，未见明显拉长畸变，裂口内壁存在较厚的氧化皮，且裂口自内向外氧化皮层厚度逐渐增大，说明裂纹已形成一定长的时间并逐渐发展而最终裂穿；管子母材的组织为铁素体+珠光体，2级轻度球化，未见严重球化。（1）对开裂泄漏的高温过热器管取样进行常温拉伸试验，高温过热器管子的各项常温拉伸力学性能均符合标准要求。（2）对高温过热器管截取试样对其进行硬度测试，管子母材的硬度值为146HB，符合标准要求；而焊缝的硬度为309HB，按照DL/T869-2012要求，对于12Cr1MoVG钢其同种钢焊接接头的硬度值应不大于母材硬度值加100HB且小于270HB，即该焊缝平均硬度应≤246HB，而实测焊缝平均硬度为309HB，远高于标准的要求。
对断口采用扫描电子显微镜对断口进行微区形貌分析。可以看出，该高温过热器管断口具有明显前沿线条纹，呈现典型的疲劳断裂形貌特征。此外，从图中还可以看出疲劳前沿线密度较高、间距较小。综合以上分析认为，本次高温过热器管开 裂泄漏的主要原因是由于管子与入口集箱接 管座对接焊缝的硬度超标较多，抗疲劳性能变 差，机组运行过程中管排长期振动形成的循环 载荷的作用致使其在较为尖锐的焊缝熔合线 缺口处形成疲劳开裂并扩展贯穿管壁而失效， 为脆性断裂。按照DL/T869-2012要求，该钢此规格下不需要做焊后回火热处理，但需做焊前预热和焊后保温措施，而该厂机组受热面安装工期为冬季，气温寒冷，作业环境温度低与DL/T869-2012要求的该材料最低可焊温度，防寒措施简陋，焊前未预热，焊后没有采取保温、防风降低冷速措施，焊接完成后冷速太快。12Cr1MoVG钢连续冷却转变曲线，可以看出随着冷速增快，增加了组织淬硬倾向，同时，冷速太快也不利于贝氏体组织的完全转变，导致了最终焊缝成型组织为全部贝氏体，且组织不均匀，组织决定性能，这种组织必然会表现出硬度高的特性。耐热钢回火过程本质上就是微观组织碳化物析出，残余奥氏体分解和碳化物形态转变，重新聚集分配，组织发生回复与再结晶，组织应力释放的过程，表现出塑性、韧性升高、强度相应下降。硬度超标的12Cr1MoVG钢焊缝回火过程中同样存在着贝氏体中的C化物慢慢析出，随着回火温度的升高，片状的碳化物开始转变为粒状，α铁素体发生回复和再结晶，逐渐转变为等轴或细小的贝氏体组织，硬度得以降低。此阶段温度控制适当升高幅度对焊缝最终硬度水平影响较大，可以得到满意的焊缝塑性、韧性和强度的平衡点。根据取样管实验室检测硬度值取两屏硬度值范围为300HB，采用如下两种热处理工艺参数进行试验。现场采用便携式里氏硬度计取焊缝硬度平均值分别为为280-300HB和260-280HB的两屏高温过热器，每屏20根管子，热处理工艺参数分别如表3及表4所示。为了保证测温的代表性，每屏布置4个测温点，另外配合红外线测温，确保管壁设计温度达到热处理温度要求，温度不一致时及时作出调整。保温宽度和厚度严格执行DL819/T-2010规程要求，并现场监督。通过热处理冷却后硬度检测结果，处理前硬度值为280-300HB的处理后硬度平均值降低为225-240HB；处理前硬度值为280-290HB的处理后硬度平均值降低为205-235HB；母材和焊缝硬度均符合DL/T869-2012的要求，随后对该厂所有的类似焊缝进行了热处理。机组连续运行100天后检查未发现开裂现象。（1）根据焊缝硬度范围，适当调整回火热处理温度和保温时间可以降低该钢的焊缝硬度值至合格范围内，使焊缝塑性和韧性得到改善，母材和焊缝保持更好的连续性，减少因膨胀、振动等外因导致焊缝开裂的风险。（2）12Cr1MoVG钢为使用和加工、焊接工艺研究很成熟的珠光体耐热钢，按照ⅡW推荐的C当量计算，C当量约为0.55%，焊接性能良好，故其焊接和热处理工艺极易被忽视。由于基建期间北方气温寒冷、焊接保护措施简陋等极易造成焊缝硬度严重超标，长期运行中开裂并扩展泄漏，故应引起重视。（3）对于投产的机组，12Cr1MoVG钢安装焊缝硬度值超标处理办法和热处理工艺控制上有一定的借鉴作用。
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