付全方 卢宾文 王茂林
安徽华电宿州发电有限公司，安徽宿州 234000
摘要：火力发电厂锅炉汽水系统管道及联箱工作压力高，温度高，是金属监督检验的重点。本文就某电厂检修过程中发现高温过热器出口联箱管座角焊缝附近多处裂纹缺陷，通过宏观检查、硬度检验、金相检验以及受力分析多种方法对裂纹产生原因进行分析，提出处理及防范措施，为后期更好的开展金属监督工作提供参考，也为同类设备的维护检修提供借鉴的经验。
关键词：锅炉 高温过热器 联箱管座 裂纹
0 引言
某电厂 2 号机组为 600MW 超临界机组，于 2007 年投产发电，截止第三次A级检修时 已累计运行约 9.2 万小时。锅炉为东方锅炉集团有限公司生产制造，为超临界参数变压直流本生型锅炉，一次再热，单炉膛，尾部双烟道结构。锅炉高温过热器管共 33 屏（从炉左至炉右编号），每屏共 20 根（从炉前向炉后编号）。高温过热器集箱及管座接管材质均为 10Cr9Mo1VNbN 材质。其中最外圈接管（第 20 根）规格为Φ51×9.5mm，其余接管规格为Φ45×8.5mm。
1 检查情况
2020 年 5 月，在对高温过热器出口集箱的管座进行30%比例磁粉检测时发现部分管座存在裂纹显示，随后对缺陷管座进行复查并扩大抽检比例，最终检测比例为100%共计660个，共发现 41个管座存在表面裂纹。检修中对存在裂纹的管座进行打磨消缺，焊补 14 个，重新焊接 27 个。
2 裂纹分析
（1）宏观检查
割取开裂样管（11-18）和对比样管（11-15）进行检验，宏观检查如图 1 所示，裂纹位于管座上部，靠近融合线位置。裂纹沿环向方向由上向下逐渐开裂，长度约 1/3 周长。管座附近未见明显减薄和胀粗现象。
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2. 微观组织及硬度分析
将开裂样管（11-18）和对比样管（11-15）均沿轴向进行切割取样。其中开样管取裂纹处和裂纹对应位置处。经打磨、抛光、腐蚀后，放入金相显微镜下观察。由图 2 可知裂纹从管外壁生成，逐渐向内开裂，深度约 6512um。可以推测管座受到一个向下的拉应力作用。
根据图 3可知，裂纹位于热影响区内，距熔合线距离约为 1678μm。从 熔合线至出口管母材组织依次为粗晶区、细晶区和不完全相变区，在主裂纹附近仍有少量微裂纹存在。微裂纹沿晶开裂，并伴随着孔洞生成。 从金相组织以看出，焊缝区域板条马氏体位向清晰，为典型的马氏体组织，可以看出该区域组织马氏体板条位向已基本消失， 仅有少量还保留马氏体板条形态，碳化物在板条束内呈球状分布，板条界和晶界碳化物呈颗粒状、球状分布，组织老化等级为4 级。对该老化4级区域范围进行测量，测得范围宽度约为 1435μm。远离热影响区的母材处组织，马氏体形态完整清晰，老化级别为 2 级。检测未开裂管座距熔合线距离约 1600μm 处组织。该区域为铁素体+少量马氏体+碳化物的组织，老化等级为 4 级。同样，对该老化 4 级区域范围 进行测量，测得范围宽度约为 1632μm。
对开裂样管母材、近裂纹处；未开裂样管母材和裂纹相同距离处进行硬度检测，根据 GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》硬度要求，两根样管母材硬度均符合标准要求。开裂样管近裂纹处和未开裂样管裂纹相同距离处硬度均低于标准要求，约为 170HV，比母材硬度低约 30HV。硬度检测结果可以与组织形态相对应。样管近裂纹区域为热影响区不完全相变区，该区域马氏体板条位向明显分散，碳化物在晶界发生聚集长大，呈球状分布。使得该区域硬度大幅下降。在母材区域，马氏体位向清晰，碳化物固溶在板条马氏体内，硬度符合标准要求。
3. 开裂原因分析
在焊接过程中，熔合线附近区域最高温度远高于 AC3（亚共析钢奥氏体化临界温度），奥氏体晶粒发生较为严重的长大现象，冷却时相变为粗大的板条马氏体组织。随着母材到融合线距离的增加，金属达到的最高温度降低，奥氏体晶粒尺寸减小，冷却后形成晶粒细小的马氏体组织。当最高温度处于 AC1~AC3直接时，仅有部分组织发生了奥氏体转变，并在冷却时形成马氏体组织，组织由经历奥氏体
相变的马氏体+块状铁素体+回火马氏体组成。由于铁素体的存在，该区域强度和韧性均低于其他区域。随着机组的运行，截止本次检查时，已累计运行 9.2 万小时。不完全相变区马氏体组织位向严重分散，碳化物在晶间发生聚集长大，使得该区域强度和硬度降低，晶界弱化，在高温和应力的共同作用下，该区域最先发生开裂。
2.3 结论和建议
根据上述金相和硬度分析可推测，由于施焊时电流过大，加热速度升高，相变温度也随之升高，使得 AC1和 AC3温度范围增大，直接导致不完全相变区距离变大。在运行过程中，该区域马氏体板条位向严重分散，碳化物在晶界发生聚集，使得该区域强度和硬度降低，晶界弱化，在高温和应力的共同作用下，该区域最先发生开裂。根据上述情况提出以下建议：
1、不完全相变区为焊接过程中无法避免存在的区域，但是可以通过控制焊接参数，尽量减小该区域的范围。建议在后续的焊接中，对焊接工艺进行审核，并严格按照要求进行焊接。
2、此次开裂是由于马氏体组织严重老化和应力的共同作用下产生。建议与锅炉厂对应力来源进行进一步研究。
3、开裂管座分布具有一定的规律性。主要集中在 4 至 12， 25 至 32 屏的第 16 至 18 根管座上。建议排查高温过热器出口温度测点和历史温度曲线，检查该区域管子是否存在超温现象。必要时，增加对应管座的温度测点。
4、结合机组检修，对处理后的管座再次进行检测，同时对上次未发现裂纹的管座进行抽检。
参考文献
[1] 姜磊，罗维祺，黄浩，等． 超临界锅炉四大管道管座角焊缝裂纹分析及预防［J］．特种设备安全技术，2017( 4) : 7 － 9．
[2] 王智春，李炜丽，蔡文河，等． 超临界锅炉过热器联箱管座断裂原因分析[J].华北电力技术，2010( 10) : 42 － 44．