摘要：本文针对某电厂660MW超超机组锅炉高温再热器入口联箱接管焊缝开裂问题，进行了宏观检查、化学成分分析、裂纹内部氧化层能谱分析、硬度及金相组织检验、再热裂纹敏感性分析等，综合分析认为：焊缝开裂的性质为再热裂纹，其产生原因与12Cr1MoVG钢本身的焊接特性、焊缝硬度过高产生的残余内应力、锅炉启停时温度波动及运行时汽水振动引起的接头内应力等多种应力因素有关，并长期在再热裂纹产生的敏感温度下运行，最终引起再热裂纹在焊接接头的粗晶区域形成并扩展，导致接头开裂。
关键词：联箱接管焊缝、再热裂纹、残余内应力、粗晶区域、开裂
1. 概述
某电厂660MW超超临界机组锅炉由上海电气集团有限公司锅炉厂设计制造，锅炉型号为SG2037-26.15-605/603-M626。2019年8月20日，检查炉顶大包内高温再热器入口联箱，发现01排01号和82排05号2个联箱管座焊接接头正上方存在裂纹。图1为接管01排01号（记为1-1）开裂位置现场照片，图2为1-1、82-5（82排05号）开裂接管宏观照片。1-1和82-5材质均为12Cr1MoVG，规格分别为φ63.5×4.5㎜、φ57.2×4.5㎜，累计运行时间56000小时。
图 1 1-1管现场开裂位置
图 2 开裂管宏观照片
2. 原因分析
（1）宏观检查两接头管无明显的胀粗、变形或吹损等特征，裂纹形貌基本相同，沿焊缝熔合线环状开裂，且外壁侧裂纹长度大于内壁侧。管段纵向剖开后，内外壁均未见明显的宏观焊接缺陷，焊缝周边也未见明显的腐蚀迹象。由此可见，接头开裂的主要原因并非过热、宏观焊接缺陷或腐蚀所致。
（2）两开裂管裂纹侧母材取样化学成分符合GB/T 5310-2017对12Cr1MoVG钢管化学成分要求，焊缝能谱分析结果也显示，焊缝成分与12Cr1MoVG成分接近。因此，可排除管段材质及焊材错用的情况。
（3）1-1、82-5裂纹内部氧化层能谱分析结果显示，氧化层成分主要为Fe和O，Fe、O的原子数量比约为1:1.2（即45:54），未见明显的其它元素存在，表明裂纹的形成和扩展与腐蚀无关。
（4）两开裂管焊缝硬度值明显高于开裂侧母材硬度值，1-1、82-5焊缝硬度较高位置的硬度值分别达261HBW、281HBW。母材硬度值符合GB/T 5310-2017对12Cr1MoVG钢硬度要求。根据DL/T 869-2012《火力发电厂焊接技术规程》规定，“同种钢焊接接头热处理后焊缝的硬度，不超过母材布氏硬度值加100HBW，且不超过下列规定：合金总含量小于或等于3%，布氏硬度值不大于270HBW”，1-1焊缝硬度值（261HBW）接近两侧母材平均硬度值（161.5HBW）加100HBW（261.5HBW），82-5焊缝硬度值超出上限270HBW的规定。焊缝硬度过高反映出接头内部可能存在较高的残余应力。
（5）各个接头试样焊缝组织均为先共析铁素体+贝氏体，焊缝与母材熔合良好，未见焊缝及熔合区有夹渣、气孔等缺陷，母材显微组织为铁素体+贝氏体，组织球化级别相对较轻，未见明显异常。
（6）两管段裂纹形貌基本相同，裂纹位于热影响区的粗晶区，主裂纹边缘存在少量的二次裂纹，裂纹均以沿晶形貌扩展，且主裂纹和二次裂纹内部均充满氧化层，裂纹形貌符合12Cr1MoVG再热裂纹的典型形貌特征。通过裂纹表面氧化皮的厚度及形貌判断，裂纹开裂时间较早，并发生了缓慢扩展。通过断口及二次裂纹走向可以判断，裂纹为外壁启裂，向内壁侧扩展。
（7）12Cr1MoVG钢主要合金元素均为碳化物形成元素，有析出强化作用。Cr、Mo、V等合金元素碳化物在晶内析出形成晶内强化，其结果使应力松弛过程中产生的变形集中于晶界，当晶界塑性不足时，就会产生再热裂纹。根据相关资料显示，12Cr1MoVG再热裂纹敏感性公式为：
△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2（%）。
当△G＞0时，就有可能产生再热裂纹。依据化学成分分析结果计算可以得出1-1、82-5管△G（1-1）和△G（82-5 ）均为1.62和1.62。
也有资料显示，对于C＞0.1%的低合金钢，上述公式可修正为：
△G'=△G +10C = Cr+3.3Mo+8.1V-2+10C（%）。
当△G'≥2时，对再热裂纹敏感；1.5≤△G'＜2时，对再热裂纹敏感性中等；△G'≤1.5时，对再热裂纹不敏感。根据化学成分分析结果计算得1-1、82-5管△G'（1-1）和△G'（82-5）分别为2.72和2.75。可见，两失效管对再热裂纹产生的敏感性较大，具备再热裂纹开裂的成分因素。
（8）12Cr1MoVG钢再热裂纹形成的敏感温度区间为500-700℃，部件在焊后热处理或长期处于该温度区间运行，且部件内部存在较高的应力时，则易在焊接热影响区的粗晶区开裂。送检的两开裂管段运行温度约540℃，处于12Cr1MoVG钢再热裂纹形成的敏感温度区间，且焊缝位置可能存在较高的焊接残余应力，加之锅炉运行时温度的波动、汽水的冲击振动等都会引起焊接接头位置应力集中，因此，两焊接接头满足再热裂纹形成的温度和应力条件。
（9）综上可以看出，本次焊缝开裂的性质为再热裂纹，其产生原因与12Cr1MoVG钢本身的焊接特性、焊缝硬度过高产生的残余内应力、锅炉启停时温度波动及运行时汽水振动引起的接头内应力等多种应力因素有关，并长期在再热裂纹产生的敏感温度下运行，最终引起再热裂纹在焊接接头的粗晶区形成并扩展，导致接头开裂。
3. 结论及建议
通过上述理化性能分析，得出如下结论：
（1）开裂管母材化学成分及硬度值符合GB/T 5310-2017相关标准要求，组织老化状态较为轻微，材质本身未见明显异常。
（2）焊缝宏观及微观上未见明显焊接缺陷，但焊缝硬度值过高，可能导致焊缝内部残余应力过高。
（3）焊缝开裂的性质为再热裂纹，其产生原因与12Cr1MoVG钢本身的焊接特性、焊缝硬度过高产生的残余内应力、锅炉启停时温度波动及运行时汽水振动引起的接头内应力等多种应力因素有关，并长期在再热裂纹产生的敏感温度下运行，最终引起再热裂纹在焊接接头的粗晶区域形成并扩展，导致接头开裂。
针对上述分析结果，建议：
（1）后期12Cr1MoVG接头焊接时，应严格控制焊接参数，避免焊缝硬度过高导致焊缝内部过高的残余应力。
（2）加强对该部位焊缝的运行监督，每次检修时对焊缝部位进行射线或PT等无损检验，对发现裂纹的管段及早更换。
论文作者:刘天佐
论文发表刊物:《中国电业》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/11
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