0前言 随着电站锅炉效率的提高,作为主要承压设备 之一的压力管道,其参数也明显提高,从而也提高 了对管道质量的要求。特别是近来相继发生的压力 管道失效或爆破事故,引起了各相关人员对压力管 道安装及使用过程中检验的重视。
12CrlMoVG是广泛用于压力管道的耐热管材, 其材料性能和焊接性能已经研究得比较充分,但是 现场施工的复杂往往难以得到实验室的结果。文内 以某次高压电站锅炉主蒸汽母管与连接阀门的焊缝 未严格执行相关工艺文件的要求及设计结构选择不 当(母管直接与阀门相焊)导致焊接接头产生裂纹 为例,分析失效产生的原因,并提出严格控制焊接 工艺的焊接返修措施。
1管道焊接接头的检验 该电厂#1、#2锅炉过热器蒸汽出口压力为 5.3MPa,过热蒸汽温度为485℃,2台锅炉的主蒸汽 管共同汇入1段母管,再由母管接出至减温减压器 装置,#1汽轮机及接由联通管接至2段母管,1段 母管与各联通管的连接方式,均为母管上三通直接 与各并汽阀门直接相焊,中间未设置过渡管段。该 机组#1、#2锅炉于2004年投入使用,距今运行时 间超10万小时,属于运行时间超长的锅炉了,由 于母管是#1、#2锅炉主汽管共用的,未进行停机 检修,故运行时间更长久,也极易发生疲劳和蠕变 失效。
母管三通与阀门是直接相焊接的,未设置过渡 段,其结构设计很不合理,结构如图1所示,母管 的材料12CrlMoVG,阀门的材料20CrMo。
为进一步提高缺陷的检出率,对5条阀门与三 通的对接焊缝高磨平后做磁粉探伤和射线复检,又 发现焊缝表面存在4条横向裂纹,如图3所示。由 于裂纹细微明显,经磁粉检测无法确定其深度。对 这些横向裂纹进行逐层打磨,每打磨4mm~5mm后 进行磁粉检查,通过肉眼也可看见裂纹,一直打 磨,裂纹仍未消失,直至将焊缝磨穿如图4、5所示, 裂纹的区域比较集中,未发现有明显的向外延伸。
2焊接接头的理化检验及原因分析 12CrlMoVG属于铬钼类珠光体耐热钢,一般 为正火+高温回火状态供货(12CrlMoVG正火: 980℃~1020℃;回火:700℃~750℃)。为分析裂 纹产生的原因,在现场对三通与连通管对接焊缝进 行了硬度、现场金相和光谱等理化检验。
2.1硬度测试 对焊接接头进行硬度测试,其结果见表1。可 以发现焊缝硬度值偏高。按照《电力建设施工及 验收规范火力发电厂焊接篇》的规定,12CrlMoVG
材料焊缝热处理后的硬度值不能超出母材HB硬度 值加100,且不能超出HB270。GB/T3087-2008规 定了12CrlMoVG的硬度上限值为HB179,可以看 出,母管三通硬度偏高,母管联接焊缝1硬度值在 HB290左右,已经超过标准的规定。焊缝3硬度值 在HB280左右,已经达到标准的上限。
2.2现场金相检验 由于焊缝硬度偏高,对焊接接头进行进一步的 现场金相检验,如图6至图7所示。结果表明,1段 母管上的三通与联接的并汽阀门处的金相组织显 示,母材和焊缝处的组织为铁素体和珠光体组织, 晶粒度为6级,焊缝组织和三通管母材(锻造组织) 均为回火贝氏体和少量铁素体。
从图5至图8中可以看出,连通管母材、焊缝 和热影响区的金相组织基本正常,除了裂纹部位外, 其余接头区域未发现淬硬和过烧组织。裂纹走向为 沿晶扩展,裂纹内部没有发现氧化物。
2.3光谱分析 采用XMET7500型金相分析仪测试母材和焊缝 的化学成分,其结果见表2。表3列出了相关标准 规定的母材和焊缝的化学成分。通过对照可以看出, 各母管三通、焊缝、焊材及阀门的化学成分与与相 关标准的要求基本相吻合。
2.4原因分析及处理 母管三通与阀门之间的焊缝共发现了5条横 跨整个焊缝的裂纹,是非常危险的缺陷,从裂纹
大小、走向、位置和形貌看,5条裂纹的产生与不 连续对口有关。
综合现场的检验分析:
(1)、阀门 与母管三通直接相焊是产生裂纹的主要诱因,阀 门坡口处壁厚高于母管三通的壁厚,故对阀门坡 口进行了削薄处理后方可与母管三通进行对焊, 由此产生了不连续管段,使应力都集中在了对接 焊缝位置处,反观另外的母管与阀门的连接形式, 之间增加了长约50公分左右的过渡管段之后,经 射线、超声波、磁粉、光谱、硬度等检测手段, 均为发现异常,增加过渡管段后,很好的将母管 三通和阀门各自产生的应力分解到过渡段上了。
(2)、焊缝经硬度检测,检测值偏高,热处理施工 单位在安装单位焊接结束后未对焊缝及时按要求 进行热处理,未进行热处理的焊缝组织,晶粒粗大, 硬度值高。
(3)、焊接时未采用电加热方式进行焊 前预热,或未将预热温度达200℃~300℃后施焊, 使焊缝处应力增加,易产生焊接裂纹。
(4)、该机 组2004年投运至今,距今运行时间超10万小时, 属于运行时间超长的机组了,易发生疲劳和蠕变 失效。由于母管是#1、#2锅炉主汽管下来共用 的,不存在停机检修,一直投运到2018年才进行 了首检,运行中,母管是在汽机房内,加之母管 与5条主蒸汽支管相连,存在不规律的频繁振动, 这种持续的振动,随着时间的不断积累,在存在 原始细微裂纹的条件下,使裂纹不断的进行扩展、 延伸最后甚至贯穿整条焊缝,如不及时发现,极 易发生性极大的主蒸汽管道爆炸事故。
3焊接接头的修复及验证
由于该焊缝的裂纹长度、深度和数量比较特 殊,因此根据实际情况,决定采用环切坡口机对A、 B、E焊缝的缺陷进行彻底清除,并加工形成U型 坡口。
根据上述对焊接裂纹成因的分析,选用纯净的 (不含杂质Ti)TIG-R31+R317作为焊接材料,焊接 材料经光谱分析符合要求,其化学成分见表4。
采用电加热方式进行预热,预热温度达到 200℃~300℃后施焊。在施焊过程中,层间温度不 应低于200℃,且不高于400℃。焊接的单层厚度 不大于焊条直径加2mm,单焊道摆动的宽度不大于 所用焊条直径的5倍。各层焊接接头要错开,同时 要注意起弧和收弧的焊接质量。
由于是母管三通与并汽阀门的焊接,需作好 温度补偿措施,合理布置加热器,测温点应对称 布置在焊缝中心的两侧,每侧不少于4点,切实 保证焊缝热处理的温度准确、可靠。恒温时加热 范围内任意两测点的温差应不大于50℃。选用合 适的焊后热处理(PWHT)规范(回火温度、保温 时间、温度升降速度等),保证焊后热处理的良好 效果。
返修完成后,对焊接接头进行了射线和磁粉探 伤、硬度测试及金相检验。测试中未发现缺陷,焊 缝硬度在正常范围内,组织为回火贝氏体,如图9 所示。实践证明,严格按照焊接作业指导书进行施焊,焊后及时按要求进行热处理工作。可以避免在 焊缝中形成裂纹。
4结论
(1)母管三通与并汽阀门的联接未设置过渡管 道,阀门对接母材处是通过削薄后才与母管三通对 接上的,此处的不连续产生了较大的应力集中,且 母管在各管道作用力的中心位置,易发生震动,在 长时间的高温和应力作用下,焊缝中垂直于最大主 应力方向上形成了裂纹;
(2)通过采用环切坡口机对焊缝的缺陷进行彻底 清除,并严格遵守合格的焊接工艺评定,进行焊前 预热,确保焊接质量,才能够得到合格的焊接接头;
(3)在对要求进行热处理的合金钢管道焊缝,在 焊后要及时进行热处理,让氢原子能及时扩散出来, 不至于在焊缝中形成冷裂纹;
(4)加强主蒸汽管道定期检验与停机检查的频次 和手段,确保及早发现存在的缺陷。
