某超超臨界機(jī)組在滿負(fù)荷試運(yùn)行168h期間，發(fā)現(xiàn)12Cr1MoV鋼低溫再熱器出口集箱管座與連接管焊接接頭處發(fā)生開裂，通過宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試以及顯微組織觀察等方法分析了開裂原因。結(jié)果表明：12Cr1MoV鋼連接管和管座焊接接頭服役溫度處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接強(qiáng)制對(duì)口產(chǎn)生的拘束應(yīng)力以及未熱處理消除的焊接應(yīng)力的疊加導(dǎo)致再熱裂紋在過寬熱影響區(qū)內(nèi)快速萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭開裂。建議12Cr1MoV鋼連接管和管座采用同管徑同壁厚連接方式，嚴(yán)禁焊接過程強(qiáng)力對(duì)口，采用低焊接熱輸入，實(shí)施焊后熱處理，以降低再熱裂紋產(chǎn)生的敏感性。
01研究背景
某電廠660MW機(jī)組采用上海鍋爐廠設(shè)計(jì)的超超臨界、一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)的Π型 直 流 鍋 爐。鍋爐出口設(shè)計(jì)壓力為29.4MPa，最大連續(xù)蒸發(fā)量為2060t·h−1。低溫再熱器出口設(shè)計(jì)溫度/壓力為533℃/6.17MPa，高溫再熱器出口設(shè)計(jì)溫度/壓力為623℃/6.06MPa。在機(jī)組168h滿負(fù)荷試運(yùn)行期間，鍋爐熱罩殼頂部發(fā)生泄漏報(bào)警。停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)12Cr1MoV鋼低溫再熱器出口集箱管座與連接管焊接接頭處發(fā)生大面積開裂。管座和連接管規(guī)格分別為?70.5mm×7.2mm，?63.5mm×4mm，二者采用鎢極氬弧焊進(jìn)行連接，焊 接 材 料為TIG-R31焊絲，未進(jìn)行焊后熱處理。12Cr1MoV鋼具有良好的焊接性能，但較大的碳當(dāng)量使得其淬硬傾向較大，焊接及焊后熱處理控制不當(dāng)極易形成淬硬組織，產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力會(huì)顯著增加冷裂紋敏感性，導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生；同時(shí)12Cr1MoV鋼對(duì)再熱裂紋敏感，預(yù)熱溫度、熱輸入等焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理溫度選用不當(dāng)會(huì)加劇再熱裂紋敏感性，尤其是當(dāng)制備的焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)大于12Cr1MoV鋼本身強(qiáng)度時(shí)，極易導(dǎo)致再熱裂紋的產(chǎn)生。自12Cr1MoV鋼在燃煤發(fā)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用以來，其焊接接頭泄漏問題頻發(fā)且多數(shù)泄漏與再熱裂紋相關(guān)，大多失效都發(fā)生在長周期服役后，早期失效比較罕見。作者對(duì)該電廠僅運(yùn)行168h就失效的12Cr1MoV鋼低溫再熱器集箱管座與連接管焊接接頭的開裂原因進(jìn)行分析，并提出預(yù)防措施，以消除設(shè)備隱患進(jìn)而提高機(jī)組安全運(yùn)行水平。
02研究亮點(diǎn)
1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果
本章節(jié)重點(diǎn)包括：
1. 宏觀檢驗(yàn)：開裂位于焊接接頭熔合線處，外壁裂紋長度（3/4周長）大于內(nèi)壁（1/2周長），根部存在成形不良、凸出及咬邊。
2. 化學(xué)成分：管座與連接管母材成分符合GB/T 5310—2023對(duì)12Cr1MoV鋼的要求。
3. 硬度測(cè)試： - 焊縫硬度（325.3HB）超標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)≤270 HBW），未進(jìn)行焊后熱處理； - 熱影響區(qū)硬度最低（140~150 HV），為薄弱區(qū)。
4. 拉伸性能： - 室溫及550℃下焊接接頭強(qiáng)度均顯著高于母材，但斷后伸長率較低； - 母材性能符合標(biāo)準(zhǔn)。
5. 顯微分析： - 裂紋由外壁沿晶擴(kuò)展，斷面氧化嚴(yán)重； - 熱影響區(qū)寬度（3.45~3.82mm）及根部間隙（5.44mm）超標(biāo)； - 母材為正常鐵素體+珠光體，焊縫為粒狀貝氏體。 （注：部分?jǐn)?shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)引用已簡化，保留核心結(jié)論。）
失效焊接接頭完全開裂區(qū)的斷面形貌
失效焊接接頭裂紋擴(kuò)展區(qū)和裂紋尖端區(qū)的裂紋截面形貌
2 開裂原因分析
本章節(jié)重點(diǎn)分析了12Cr1MoV鋼焊接接頭開裂的原因，主要包括以下幾點(diǎn)：
1. 焊縫質(zhì)量差：焊接接頭內(nèi)壁存在根部凸出和咬邊，成形質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)，與焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)有關(guān)。
2. 再熱裂紋特征：裂紋起源于外壁熱影響區(qū)粗晶區(qū)，沿晶界擴(kuò)展，是12Cr1MoV鋼典型的再熱裂紋。
3. 應(yīng)力集中：接頭為變徑管，受力復(fù)雜，焊接錯(cuò)口和間隙過大導(dǎo)致拘束應(yīng)力增大，加劇應(yīng)力集中。
4. 焊接工藝問題：焊接電流和熱輸入過大，導(dǎo)致熱影響區(qū)過寬、奧氏體晶粒粗大，降低晶界韌性。
5. 熱處理不足：焊前預(yù)熱不充分（僅150℃預(yù)熱1分鐘）且未進(jìn)行焊后熱處理，導(dǎo)致殘余應(yīng)力高，熱影響區(qū)塑性變形能力差。
6. 服役溫度敏感：533℃的服役溫度處于12Cr1MoV鋼再熱裂紋敏感區(qū)間。 綜上，焊接質(zhì)量差、應(yīng)力集中、工藝不當(dāng)及熱處理不足等因素共同導(dǎo)致再熱裂紋萌生并快速擴(kuò)展，最終引發(fā)接頭開裂。
03研究結(jié)論
（1）低溫再熱器出口2Cr1MoV鋼集箱管座與連接管焊接接頭的早期開裂與母材無相關(guān)性。焊接接頭的服役溫度處于再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接強(qiáng)制對(duì)口產(chǎn)生的拘束應(yīng)力以及未熱處理消除的焊接應(yīng)力的疊加作用導(dǎo)致再熱裂紋在過寬熱影響區(qū)內(nèi)快速萌生及擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭開裂。
（2）建議優(yōu)化低溫再熱器出口焊接接頭結(jié)構(gòu)，采用同管徑同壁厚連接方式；在焊接過程中采用小電流和熱輸入，降低熱影響區(qū)寬度；嚴(yán)禁強(qiáng)力對(duì)口，降低焊接接頭拘束應(yīng)力；焊前預(yù)熱溫度選擇200℃，預(yù)熱時(shí)間不短于3min；焊后進(jìn)行熱處理，降低焊縫硬度、強(qiáng)度和焊接應(yīng)力，提高熱影響區(qū)韌性，改善焊縫與熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性匹配。
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