12Cr1MoVG钢高压蒸汽管道对接接头开裂原因

章芳芳, 应陈锴, 胡建胜, 阎江涛

(1.浙江省特种设备科学研究院, 杭州 310020；2.嘉兴新嘉爱斯热电有限公司, 嘉兴 314016)

某公司1号锅炉汽机侧管道在全面检验期间，超声检测时发现其中主蒸汽管道的多条对接焊缝中存在横向裂纹，严重影响了锅炉的安全运行。该管道服役年限为12 a，材料为12Cr1MoVG钢，规格为273 mm×20 mm(外径×壁厚)，工作压力为9.8 MPa，运行温度为540 ℃。焊接方法采用钨极氩弧焊打底，手工电弧焊填充和盖面。打底使用TIG-G31焊丝，填充和盖面使用R317焊条。焊接预热温度为200～300 ℃，焊后热处理温度为720～760 ℃。为查明该管道焊缝中裂纹产生的原因，笔者对其进行了理化检验及分析。

1 理化检验

1.1 宏观观察

主蒸汽管道裂纹处宏观形貌如图1所示，由图1可以看出：整个壁厚方向上均有裂纹产生。将焊缝余高打磨平整后,发现裂纹分布于热影响区和焊缝中，且不连续。

图1 主蒸汽管道裂纹处宏观形貌

1.2 化学成分分析

采用ARL4460型直读光谱仪分别对根层焊缝、焊缝表面和两侧母材进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：根层焊缝中的Si，Mn元素含量低于DL/T 869—2012 《火力发电厂焊接技术规程》的要求，焊缝表面的化学成分符合DL/T 869—2012的要求，母材的化学成分符合GB/T 5310—2008 《高压锅炉用无缝钢管》中对12Cr1MoVG钢的要求。

表1 焊缝及母材的化学成分 %

1.3 力学性能测试

分别在母材和对接接头处取样进行力学性能测试，结果表明母材和对接接头的力学性能分别符合GB/T 5310—2008和DL/T 869—2012的要求(见表2)。

表2 母材和焊接接头力学性能测试结果

1.4 硬度测试

对焊缝处、热影响区及母材进行维氏硬度测试，结果如表3所示。由表3可知：母材硬度高于GB/T 5310-2008的要求，焊缝、热影响区的硬度符合DL/T 869-2012的要求。

表3 硬度测试结果 HV

1.5 金相检验

对焊缝处进行金相检验,焊缝处的显微组织为贝氏体+网状铁素体，未见明显老化(见图2)。裂纹起始于粗晶区，终止于细晶区，沿晶开裂，部分裂纹沿铁素体与贝氏体的界面扩展，裂纹内部形成了氧化层(见图3)。

图2 焊缝处显微组织形貌

图3 裂纹处SEM形貌

1.6 扫描电镜分析

对裂纹处进行扫描电镜(SEM)分析，可见裂纹尖端有连续密集的孔洞分布在晶界上，孔洞进一步发展成了沿晶的微裂纹(见图4)。

图4 裂纹处SEM形貌

2 综合分析

上述理化检验结果表明：母材和对接接头的力学性能、硬度均符合标准要求；根层焊缝中的Mn，Si元素含量低于标准DL/869—2012的要求，焊丝材料不合格。再热裂纹敏感性评价的经验公式[1]如式(1)所示。

ΔG=wCr+3.3wMo+8.1wV-2

(1)

式中：ΔG为再热裂纹敏感指数；wCr为Cr元素质量分数；wMo为Mo元素质量分数；wV为V元素质量分数。

根据式(1)计算得，根层焊缝的ΔG=2.53，焊缝表面的ΔG=2.41，均大于0，说明该焊缝容易产生再热裂纹。

由于焊接工艺参数控制不当，焊缝的显微组织较差，产生了网状铁素体，割裂了组织间的联系，降低了整体的塑性和韧性。SEM分析结果表明：晶界上产生了孔洞，孔洞相互串联形成微裂纹，微裂纹逐渐长大、扩展、相互连接，最终形成宏观裂纹。该管在焊接过程及服役期间，焊缝表面形成粗晶区，强度和塑性降低，加上网状铁素体导致的晶界弱化，在晶界上容易产生孔洞，且粗晶区通常会产生应力集中，形成裂纹源。萌生裂纹由粗晶区向细晶区沿晶扩展，在细晶区终止，整体符合再热裂纹的特征。

12Cr1MoVG钢存在一定的再热裂纹倾向，尤其在500～700 ℃最为敏感，而管道的运行温度正处于该区间内，从而使得其发生再热裂纹的倾向加大[2-3]，晶粒粗化也会加大再热裂纹的产生[4]。

3 结论

由于主蒸汽管道焊接材料中含有促使形成再热裂纹的沉淀强化元素，在焊接工艺参数控制不当、长期处于再热裂纹敏感温度区间工作和热应力等因素的综合作用下，产生了再热裂纹，最终导致管道开裂。