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      某火力發(fā)電廠機(jī)爐外管布置位置異常，一旦發(fā)生突然性爆破容易導(dǎo)致人員傷亡，故其運(yùn)行安全十分重要。其中對(duì)于直徑小于89mm的管道，原則上要求走向布置，保證支吊時(shí)該管道能吸收與其相連管道產(chǎn)生的熱位移。某些安裝單位的技術(shù)水平不足或重視程度不夠，導(dǎo)致這類管道常出現(xiàn)支吊架布置不合適，管道走向未考慮熱位移以及安裝、焊接質(zhì)量不高的情況。

     某火電廠2號(hào)機(jī)組主蒸汽壓力取樣管管座側(cè)第一個(gè)焊接接頭在運(yùn)行過程中發(fā)生開裂泄漏。主蒸汽管道的工作溫度為567℃，工作壓力為14.59MPa，壓力取樣管的材料為T91鋼，規(guī)格為16mm×3mm(外徑×壁厚)，事故發(fā)生于機(jī)組投產(chǎn)前168h試運(yùn)過程中的約第78h，該取樣管共3根，開裂的焊接接頭位于中間的一根管上，開裂焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示。

     來自江蘇鎮(zhèn)江燃?xì)鉄犭娪邢薰竞徒K方天電力技術(shù)有限公司的王飛、楊超、吳增祎等研究人員采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)以及管系檢查分析等方法，對(duì)該焊接接頭的開裂原因進(jìn)行了分析，以減少機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的次數(shù)和時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

PART.01理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

      截取該開裂焊接接頭斷口處進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：開裂處位于管座側(cè)焊縫位置，裂紋穿透管子，該處存在環(huán)向裂紋，裂紋長(zhǎng)度約為15mm；起裂點(diǎn)位于內(nèi)壁熔合線旁的熱影響區(qū)，開裂面接近垂直于管子軸線，開裂處無明顯的塑性變形，斷口表面平齊，斷口附近沒有頸縮現(xiàn)象，邊緣沒有剪切唇，呈脆性斷裂特征；管子安裝對(duì)口時(shí)存在折口情況，角變形偏差α為4.3mm，超出了DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求(α≤2mm)；焊縫外表面成形良好，根部整體凸出，最大凸出高度約為2mm，已達(dá)DL/T 869—2012的上限(2mm)。檢查該焊接接頭射線檢測(cè)底片，未發(fā)現(xiàn)缺陷，依據(jù)DL/T 869—2012，對(duì)該焊接接頭的缺陷評(píng)級(jí)為一級(jí)，說明該焊接接頭經(jīng)熱處理后進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，裂紋尚未產(chǎn)生或因尺寸小等原因未被發(fā)現(xiàn)，此后至開裂時(shí)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間不超過300h。

1.2 化學(xué)成分分析

     使用直讀式光譜分析儀對(duì)開裂焊接接頭斷口處焊縫及母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，根據(jù)結(jié)果可見其化學(xué)成分均符合DL/T 821—2017《金屬熔化焊對(duì)接接頭射線檢測(cè)技術(shù)和質(zhì)量分級(jí)》的要求。

1.3 硬度測(cè)試

     在開裂焊接接頭處取樣，依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分 試驗(yàn)方法》，使用顯微硬度計(jì)對(duì)斷口處的焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為98.1N，加載時(shí)間為10s，結(jié)果如表1所示。由表1可知，母材硬度正常，焊縫硬度大于DL/T 869—2021的要求。

表1 斷口處焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度測(cè)試結(jié)果

     研究發(fā)現(xiàn)，隨著T91鋼小徑管焊縫硬度的升高，其沖擊吸收能量降低，當(dāng)焊縫硬度為340~370HB時(shí)，其沖擊吸收能量為20~40J/cm2，低于《T/P91鋼焊接工藝導(dǎo)則》的要求(41J/cm2)，焊接接頭脆性斷裂的傾向較大，由此可知斷口存在脆性斷裂的可能。

1.4 金相檢驗(yàn)

     在焊接接頭縱截面(徑向)處取樣，使用光學(xué)顯微鏡，按照DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

      由圖3可以看出：未開裂處熔合區(qū)域晶粒較粗大，位向明顯，母材為細(xì)晶?；鼗瘃R氏體組織；焊縫為馬氏體組織，無明顯回火跡象(幾乎無碳化物析出)，說明該焊接接頭未經(jīng)高溫回火處理或回火溫度、時(shí)間不足；開裂處可見裂紋無明顯分叉，主裂紋旁無二次開裂情況，因馬氏體晶界不明顯，故難以判斷是沿晶開裂還是穿晶開裂。

1.5 擴(kuò)大性檢查

      對(duì)主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道上同類焊接接頭進(jìn)行了擴(kuò)大性檢查，發(fā)現(xiàn)普遍存在焊縫硬度高、顯微組織異常的情況。采用萬能硬度計(jì)測(cè)得該開裂焊接接頭相鄰的2根管上焊接接頭焊縫處的硬度分別為288，295HB，母材硬度分別為219，232HB，焊縫的顯微組織為未回火馬氏體+回火馬氏體(見圖4)。

     經(jīng)滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)抽查后，未發(fā)現(xiàn)其他焊接接頭存在裂紋等缺陷，且后續(xù)運(yùn)行過程中未再發(fā)生類似泄漏的情況。

1.6 管系檢查

       對(duì)取樣管走向布置、支吊情況進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)該處管系與其他位置有明顯不同，該處取樣管布置如圖5所示，取樣管y向水平段用管卡固定，x向水平段則隨主管道移動(dòng)。附近的106#支架的熱位移為：Δx=0mm，Δy=191mm，Δz=0mm，其中y向熱位移量很大。雖然取樣管的2個(gè)折彎能吸收部分熱膨脹量，但仍然會(huì)使x向水平段的熱位移受限，因此，開裂焊接接頭所處管系最遠(yuǎn)端的熱位移量最大。焊接接頭承受附加的彎曲載荷可能會(huì)超過其高溫抗拉強(qiáng)度極限，從而發(fā)生斷裂，這可以從焊接接頭在y向近半圈開裂得到驗(yàn)證。取樣管和支吊架的布置不能承受母管和支管的熱位移，造成二次應(yīng)力超標(biāo)且接頭焊縫處的應(yīng)力最大，說明這種熱位移受阻的情況存在一定的普遍性。

PART.02綜合分析

      該裂紋產(chǎn)生于機(jī)組未正式投產(chǎn)之際，因此可以排除材料因蠕變而產(chǎn)生裂紋，則裂紋可能是熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋中的一種，又因裂紋發(fā)生于焊后且開裂于熱影響區(qū)，故可基本排除熱裂紋的可能。T91鋼完全在再熱裂紋敏感區(qū)外，對(duì)焊接接頭再熱裂紋不敏感，這可能與MoC消失有關(guān)。冷裂紋(延遲裂紋)形成的3個(gè)影響因素為：鋼材的淬硬傾向、焊接接頭的氫元素含量及其分布、焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)。該開裂焊接接頭存在未回火的馬氏體組織，淬硬傾向大，焊接接頭存在折口、熱膨脹受阻、焊接殘余應(yīng)力未消除等情況，有較大的內(nèi)應(yīng)力，且焊接接頭位于小頭側(cè)，根部凸出較高，存在應(yīng)力集中情況，其延遲脆斷的特征符合氫致裂紋的特點(diǎn)，因此該裂紋極可能是冷裂紋。

     為防止該類裂紋再次出現(xiàn),采取的對(duì)策為：①保證其焊后熱處理溫度、時(shí)間達(dá)到工藝要求，使處理后的焊縫得到回火馬氏體或回火索氏體組織，且硬度符合DL/T 869—2012的要求；②焊接接頭采用氬弧焊打底時(shí)，使內(nèi)、外焊縫表面均與母材圓滑過渡，并避免折口超標(biāo)等情況；③將裂口所在管及附近2根管上的固定管卡松開，使其能在熱態(tài)下隨母管自由滑動(dòng)；④采取焊前預(yù)熱等措施，以減少在焊接接頭中自由擴(kuò)散并局部聚集的氫原子或氫離子。

PART.03結(jié)論及建議

      該壓力取樣管焊接接頭的開裂符合冷裂紋(延遲裂紋)特征，其形成原因與焊接接頭中存在未回火的馬氏體、管子膨脹受阻產(chǎn)生的附加應(yīng)力等應(yīng)力集中有關(guān)。

      為避免類似開裂情況再次出現(xiàn)，需執(zhí)行正確的焊接及熱處理工藝，以得到合格的顯微組織及適宜的硬度，并合理安排支吊架的狀態(tài)，減少應(yīng)力集中，使焊接接頭的受力不超過其許用應(yīng)力。