亓海峰
华电电力科学研究院有限公司 浙江 杭州 310030
摘要：支管座是用于支管连接的补强型管件，在各种高压、高温、大口径、厚壁管道中得到了广泛应用。在电站锅炉的管道系统中，需要安装各种排空管、疏水管、取样管、热工仪表管和压力表等，常见的连接方式是锻制承插焊支管座连接。电站锅炉的蒸汽管道具有高温高压的特点，与支管座连接的支管与母管具有相同的温度和压力，连接结构一旦发生泄漏或爆管，就可能对管道系统造成极大的破坏，并带来巨大的经济损失，甚至酿成严重的人身伤亡事故。
关键词：再热蒸汽管道；支管座；热疲劳开裂；腐蚀
引言
由于服役环境恶劣以及加工工艺不当，电站锅炉中的奥氏体不锈钢管道开裂泄漏故障时有发生。通过对大量奥氏体不锈钢管开裂失效原因分析总结，发现不合理的焊接热处理、冷加工所引发的晶间腐蚀开裂是失效的重要原因。为保障电站的安全稳定运行，减少因奥氏体不锈钢管道开裂泄漏引发的停机，对常见的奥氏体不锈钢管道晶间腐蚀开裂失效原因进行分析探讨，以期对服役在相似环境下的奥氏体不锈钢管道的焊接、热处理提供参考。
1试验内容及结果
1.1基本内容
某电站锅炉在服役约10万ｈ后停车进行检修，发现再热蒸汽管道排空管的承插焊支管座内壁和母管承插孔附近发生龟裂。该再热蒸汽管道母管材料为Ｐ22钢，规格为508mm×26.7mm，支管座材料为12Cr1MoVG钢，规格为89mm×25mm，工作温度为540℃，工作压力为4.5MPa。为防止类似问题的再次发生，本文对该再热蒸汽管道进行了简要失效分析。
1.2理化检验
宏观检查失效管段开裂位置，裂口沿12Cr1MoVG侧熔合线呈狭长的缝隙状开裂。裂缝长度约占整个环焊缝周长的一半。焊缝附近管段未见明显的胀粗，管段表面因受到临近破裂管段气流反吹，出现光滑的吹损凹坑，且两处位置已出现边缘锋利的破口。将管段沿破裂的焊缝位置纵向剖开可见，该焊缝存在明显的错口，12Cr1MoVG侧内壁还出现氧化皮剥落。
1.3化学成分
采用ARL4460型直读光谱仪对失效再热蒸汽管道母管、焊缝及支管座的化学成分进行测试。可知，再热蒸汽管道母管和支管座的化学成分均满足标准要求，焊缝的成分也未见异常。
1.4力学性能
在失效再热蒸汽管道承插孔附近沿管道纵向截取棒状拉伸试样，试样平行段直径为10mm，标距为50mm，按照GB/T228.1-2010，采用DNS300型万能试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为2mm·min-1。在母管承插孔附近截取纵向冲击试样，按照GB/T229-2007，采用JBW-750型冲击试验机进行冲击试验，试验温度为24℃。进而分析可知，再热蒸汽管道母管的力学性能均符合标准要求。
1.5显微组织
分别在失效再热蒸汽管道母管未开裂部位、母管内壁靠近承插孔下游部位、母管承插孔、管座母材及焊缝处截取金相试样，经镶嵌、研磨、抛光，并用体积分数４％的硝酸酒精溶液腐蚀后，用ZeissAxiovert2000MAT型光学显微镜观察显微组织。
母管未开裂处组织为铁素体＋粒状贝氏体，球化级别为２级；母管内壁靠近承插孔下游部位裂纹横向扩展尖端主要为尖锐状，裂纹表现为穿晶扩展，部分裂纹扩展尖端呈锯齿状，裂纹内填满黑色物，黑色物中间存在缝隙，母管内壁靠近承插孔下游部位显微组织为铁素体＋粒状贝氏体，球化级别为２．５级；母管承插孔处裂纹纵深方向扩展尖端基本呈半圆状，承插孔内壁表面裂口处呈瓶颈状，裂纹内填满黑色物，黑色物中间存在缝隙，该处显微组织为铁素体＋粒状贝氏体，球化级别为２．５级；支管座裂纹纵深方向扩展尖端呈半圆状，支管座内壁表面裂口处略呈瓶颈状，裂纹内填满黑色物，黑色物中间存在缝隙，支管座母材组织为铁素体＋粒状贝氏体，球化级别２级，焊缝组织为铁素体＋少量粒状贝氏体。由此可知，失效再热蒸汽管道不同部位的组织均正常，裂纹横向扩展尖端主要呈尖锐状和锯齿状，纵深扩展尖端主要呈半圆状。
1.6分析讨论
接头管开裂焊缝两侧母材化学成分及布氏硬度均符合相关标准要求。开裂焊缝附近管段未见明显胀粗或塑性变形，金相组织也未见明显的老化特征，可排除管段长时超温或短时超温过热导致开裂的可能性。裂缝附近表面光滑，两处爆口边缘呈锋利的刀刃状，为明显的吹损减薄而导致的爆管，而焊缝位置裂口为最早开裂泄漏的破口。焊缝存在明显错口，且金相检验发现焊缝内部有多处气孔，部分气孔较大且边缘尖锐。少量球形显微气孔对接头的性能影响较小，但当气孔数量较多，尤其是呈密集型出现时，会割裂基体的连续性，降低接头的实际承载面积。尖锐的气孔边缘有可能在高温高压的环境下形成微裂纹并扩展。另外，焊缝两侧还存在明显的错口，也会在蒸汽流动时加剧焊缝熔合区的应力集中程度。上述焊接缺陷（或缺欠）促进了接头的破坏。
2开裂原因分析
由于失效再热蒸汽管道排空管后端一次阀前水平管段长度较长，且该水平管段位置较低，因此排空管内容易形成凝结水并储存在排空管后端；再热蒸汽管道母管内壁靠近承插孔的下游部位、承插孔内壁和支管座内壁存在的大量龟裂状裂纹具有典型的热疲劳特征。由此可判断，失效再热蒸汽管道的开裂与排空管内受到高压蒸汽冲击而逆向流动的凝结水相关。母管内壁靠近承插孔下游部位裂纹横向扩展尖端主要为尖锐状，裂纹表现为穿晶扩展，部分裂纹呈锯齿状，可判断母管内壁裂纹横向扩展主要为由热应力引起的疲劳开裂。母管承插孔和支管座内壁裂纹纵深方向扩展尖端为半圆状，内壁表面裂口处呈瓶颈状，可判断管道出现疲劳开裂后，沿纵向深度方向发生腐蚀扩展开裂，而裂纹缝隙填充的腐蚀产物主要为碳酸盐和铁的氧化物。
3结论及建议
（１）再热蒸汽管道排空管结构设计不合理，导致排空管后端一次阀前水平管段易集聚大量冷凝水；在逆流冷凝水和高温蒸汽的共同作用下，再热蒸汽管道排空管的承插焊支管座内壁、母管内壁靠近承插孔下游位置以及承插孔内壁产生热疲劳裂纹。在蒸汽压力、循环热应力和碳酸盐腐蚀物质的综合作用下，热疲劳裂纹扩展，从而导致管道的开裂。（２）为避免类似事故的再次发生，在安装电站锅炉再热蒸汽管道时，应合理布置母管与支管，尽可能缩短一次阀门与支管座之间的距离，在一次排空阀门前应尽量避免支管出现向下的走向；加强支管的保温，避免支管内因温度降低而出现冷凝水；在锅炉运行期间，应定期排放支管内积存的冷凝水。
结束语
在这起锅炉检验中，从发现重大安全隐患到消除该安全隐患的过程可以看出，该焊缝裂纹的主要原因是由于在安装过程中，集汽集箱在锅炉制造厂未按照坡口加工图进行加工，到达锅炉安装现场后，焊接人员及检验人员没有及时发现该问题并上报就直接进行强行施焊，导致使用过程中该焊口整圈开裂，形成重大安全隐患，如果锅炉内部检验中没有发现该缺陷，可能造成难以估量的严重后果。对于锅炉安装监检人员，在监检中要特别重视对于不等厚焊缝的检查，避免上述问题的产生。对于锅炉内部检验也要特别注意对主蒸汽管道的检验，如果该处保温未拆除检查，可能就会导致该缺陷一直不能被发现，会产生爆裂的严重后果。
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