省煤器鋼管泄漏原因分析

（四川化工職業技術學院，四川瀘州646099）

0 前言

某熱電分廠1#爐的第三級省煤器鋼管在使用34天后發生泄漏，泄漏部位為鋼管的對接焊焊縫部位。省煤器鋼管材料為高壓鍋爐無縫鋼管，材質是20G鋼，為優質碳素鋼[1]。用游標卡尺測量鋼管尺寸，鋼管直徑42mm、壁厚4mm，外徑和壁厚均符合《GB 5310－2008高壓鍋爐用無縫鋼管》要求[2]。省煤器鋼管的工作壓力11MPa，工作溫度271℃，從日常使用檢查記錄看，使用過程中，壓力和溫度均在正常工作范圍內。為省煤器鋼管的后續改善，采用檢測鋼管材料成分、觀察焊縫金相組織、測試焊縫截面各部位硬度3種方法來查找鋼管焊縫處的泄漏原因。為檢測方便，將泄露部位鋼管截取下來，并進行適當的打磨清理，效果如圖1所示。

圖1 鋼管泄漏部位宏觀形貌Fig.1 Appearance of the steel pipe's leak part

1 母材材料成分

采用杰博JB－750光電直鋼管讀光譜儀檢測母材材料成分。檢測前，首先從鋼管的母材上取樣，分析樣品均勻、無縮孔和裂紋，然后用砂輪機和砂紙磨盤研磨樣品的檢測表面，保證檢測表面平整、潔凈，最后將樣品放置在光譜儀中進行檢測。檢測結束后，將檢測結果與《GB 5310－2008高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中規定的20G鋼材料成分進行對比，并評定實物鋼管是否符合標準要求。結果如表1所示。

表1 鋼管材料化學成分Table 1 Chemical composition of steel tube material %

異質鋼種焊接容易引起材料成分偏析，偏析嚴重極易產生熱裂紋。由表1可知，省煤器鋼管的材料成分符合標準中規定的20G鋼的成分要求，且焊縫兩側的鋼管都為20G鋼，為同質材料，鋼管規格也一樣，在焊接加熱過程中，焊縫兩側母材的熔化量，熔敷金屬和母材熔化區的成分基本一致，焊縫冷卻后兩側母材的材料成分也基本相同，因此省煤器鋼管的焊縫不會因為材料成分不均產生裂紋。

2 焊縫的金相組織

2.1 金相試樣制備與金相圖采集

選取靠近泄漏點但未經打磨的焊縫部位制作軸向金相分析試樣。首先經過切割、打磨和拋光，然后用4%硝酸乙醇溶液浸蝕金相觀察表面，最后用清水進行沖洗并用熱風吹干[3]，用倒置材料顯微鏡Axiovert200MAT分別觀察焊縫的熔合區、熱影響區和母材金相組織，試樣的金相觀察面低倍組織形貌如圖2所示。熔合區和熱影響區50倍放大圖如圖3所示，熔合區內部裂紋局部500倍放大圖如圖4所示，熱影響區細晶區500倍放大圖如圖5所示，母材晶粒500倍放大圖如圖6所示。

圖2 金相觀察面低倍組織形貌Fig.2 Sample surface macrostructure topography metallographic observation

圖3 熔合區和熱影響區放大圖Fig.3 Fusion zone and heat affected zone larger version

圖4 熔合區內部裂紋局部放大圖（500×）Fig.4 Internal cracks of the fusion zone larger version

2.2 焊縫金相組織評述

（1）鋼管母材的金相組織為珠光體＋鐵素體，呈帶狀分布，組織細小，分布均勻，如圖6所示。未發現鋼管母材存在冶金質量缺陷和其他異常組織缺陷。由圖2可知，焊縫兩側母材的組織基本一致，且分布均勻。

（2）熱影響區的金相組織為珠光體＋鐵素體，組織比較細小，分布均勻，無明顯組織缺陷，如圖5所示。

（3）焊縫熔合區存在數量較多且尺寸較大的氣孔，最大的氣孔直徑達2.3 mm，同時存在明顯的內部裂紋，焊接質量問題嚴重（見圖2～圖4），而這些缺陷主要是由于焊接操作不當造成。

圖5 熱影響區細晶區放大圖Fig.5 Heat affected zone larger version

經過觀察，焊縫兩側母材和熱影響區的金相組織都為珠光體+鐵素體，分布均勻，無明顯組織缺陷，符合《GB 5310-2008高壓鍋爐用無縫鋼管》標準中的金相組織要求[4]，所以母材和熱影響區不會因為組織問題產生裂紋。由于焊接操作不當，在熔合區產生較大氣孔和明顯內部裂紋，導致焊縫強度減弱，而且內部裂紋在工作環境下擴展傾向增大，當裂紋擴展至焊縫內、外表面時，省煤器鋼管會產生泄漏現象。焊縫中的氣孔與裂紋等缺陷均不符合高壓鍋爐用無縫鋼管的使用要求。

3 硬度檢測

分別對母材、熔合區和熱影響區進行小力值維氏硬度試驗，儀器采用HVS-5Z數顯自動轉塔維氏硬度計，試驗標稱壓力為4.9 N，壓頭為具有正方形基面的金剛石錐體，壓頭下降速度0.2 mm/s，加力過程8 s，試驗力保持時間12 s[5]。在每個區域選取均勻分布的3個點進行試驗，并計算出3個點的維氏硬度平均值，最后將維氏硬度的平均值換算成布氏硬度值。結果如表2所示。

表2 硬度檢測值Table 2 Hardness valure

焊接接頭的力學性能不均勻會降低焊接接頭的疲勞壽命。由表2可知，雖然熔合區和熱影響區的硬度平均值相差48 HB，但各區域的硬度分布比較均衡。焊接接頭（熔合區+熱影響區）的平均硬度值為213 HB，按照《DLT 869-2012火力發電廠焊接技術規程》中對焊接接頭的要求，鋼管的母材和焊縫的硬度均符合要求。所以焊縫接頭的硬度分布狀況對接頭的疲勞壽命有一定的影響，但不是產生泄漏的主要原因。

圖6 母材晶粒放大圖Fig.6 Parent metal grains enlarge figure

4 結論

（1）鋼管母材合金含量及金相組織均符合標準《GB 5310-2008高壓鍋爐用無縫鋼管》中對20G鋼的相關規定，母材和熱影響區無缺陷，鋼管泄漏與母材和熱影響區的材料成分、金相組織和材料硬度無關。

（2）鋼管焊接部位的熔合區有嚴重的焊接質量問題（有明顯的氣孔和內部裂紋），氣孔和裂紋會使焊縫強度減弱，內部裂紋在工作壓力和工作溫度的作用下產生擴展，并貫穿至焊縫表面，導致鋼管泄漏。

綜上所述，焊接過程中操作不當產生的內部裂紋在工作環境下產生擴展是導致省煤器鋼管泄漏的主要原因。