某電廠鍋爐折焰角對接焊口裂紋分析

張星 夏建秋 張叢生 徐航

摘要：針對某電廠2#鍋爐右折焰角管背火側(cè)對接焊縫處發(fā)生泄漏的情況，電廠工作人員將折焰角泄漏管段進(jìn)行取樣分析，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)送檢樣管對接焊口開裂的原因是焊接過程中焊接坡口受到污染等，S等有害元素在焊縫中心部位聚集，使焊縫產(chǎn)生了結(jié)晶微裂紋。電廠在啟停鍋爐及調(diào)負(fù)荷過程中，使管子受到較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫中微裂紋擴(kuò)展，造成管子開裂。

關(guān)鍵詞：對接焊口;開裂;結(jié)晶裂紋;12Cr1MoVG;ER55-B2-MnV

0 引言

某電廠2#鍋爐機(jī)組的氣動給水泵調(diào)閥自動關(guān)閉，引起煤水比失調(diào)，造成鍋爐折焰角溫度高而保護(hù)動作并MFT（主燃料跳閘）。機(jī)組于3 h后再次啟動，運(yùn)行至第二天發(fā)現(xiàn)水冷壁出現(xiàn)泄漏，機(jī)組停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)右墻螺旋水冷壁管及3#燃燒器附近彎管段均有泄漏點(diǎn)，搶修完成后，電廠在上低溫低壓循環(huán)水時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍋爐右折焰角管背火側(cè)對接焊縫處有泄漏。泄漏點(diǎn)位置標(biāo)高約47 m，泄漏點(diǎn)水平位置在鍋爐右數(shù)第4個(gè)折焰角支架對應(yīng)處。該電廠將折焰角泄漏管段取樣進(jìn)行分析，送檢管段長約100 mm。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

對所取樣品進(jìn)行以下試驗(yàn)分析：（1）宏觀檢查;（2）化學(xué)成分分析;（3）硬度試驗(yàn);（4）金相分析;（5）掃描電鏡分析;（6）能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1? ? 宏觀檢查

本文通過對送檢管段進(jìn)行宏觀檢查可見，管子上存在一處對接環(huán)縫，外表面焊縫余高已被打磨去除，對接焊縫上存在一處環(huán)向貫穿裂紋，裂紋沿環(huán)向擴(kuò)展至管子與扁鋼的縱向焊縫處，內(nèi)外壁裂紋長度約占管子外弧的1/2，裂紋在外壁與內(nèi)壁的位置均位于樣管對接焊縫寬度的中心處，開裂樣管有朝背火側(cè)方向彎曲的現(xiàn)象。

除此裂紋外，開裂樣管以及與其相鄰樣管未見脹粗、吹損減薄等其他缺陷。

2.2? ? 化學(xué)成分分析

對焊縫兩側(cè)母材及焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果如表1所示。由分析結(jié)果可知，母材的化學(xué)成分滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質(zhì)的要求，焊縫的化學(xué)成分滿足《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 8110—2008）對ER55-B2-MnV材質(zhì)的要求。

2.3? ? 硬度試驗(yàn)

對樣管母材與焊縫進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，并按ISO 18265標(biāo)準(zhǔn)換算成布氏硬度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由硬度結(jié)果可知，對接焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 869）對同種低合金鋼焊接接頭硬度的要求，母材硬度滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質(zhì)的要求。

2.4? ? 金相分析

開裂樣管背火側(cè)外壁熱影響區(qū)及母材金相圖片如圖1、圖2所示，熱影響區(qū)金相組織為回火貝氏體+鐵素體。母材金相組織為鐵素體+珠光體，無脫碳層，母材晶粒度為9.0級。

開裂樣管背火側(cè)內(nèi)壁焊縫、熱影響區(qū)及母材金相組織如圖3、圖4所示，內(nèi)壁焊縫金相組織為回火貝氏體，熱影響區(qū)金相組織為回火貝氏體+鐵素體+珠光體，母材金相組織為鐵素體+珠光體，母材內(nèi)壁無脫碳，母材晶粒度為9.0級。

在開裂樣管向火側(cè)焊縫處取金相試樣，磨拋縱向截面，可以看到在焊縫寬度的1/2處有一條由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，長度約2 mm。裂紋處焊縫金相組織如圖5所示，可以看出裂紋為沿晶裂紋，焊縫金相組織為回火貝氏體，向火側(cè)焊縫組織形貌與背火側(cè)相同，在裂紋附近存在多條與裂紋擴(kuò)展方向近似平行的靠外壁微裂紋，長度約0.2 mm。

2.5? ? 掃描電鏡與能譜分析

對背火側(cè)試樣的金相磨拋面、試樣焊縫斷口進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，分析結(jié)果表明，背火側(cè)焊縫微裂紋內(nèi)含S元素1.16%，斷口表面含S元素0.49%，而遠(yuǎn)離微裂紋及斷口的焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。對向火側(cè)試樣的金相磨拋面進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，分析結(jié)果表明，向火側(cè)焊縫裂紋內(nèi)含S元素0.33%，靠近裂紋焊縫基體含S元素0.32%，遠(yuǎn)離裂紋焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。

3 綜合分析

（1）通過對樣管母材、焊縫進(jìn)行化學(xué)成分及硬度分析，結(jié)果表明，母材化學(xué)成分、硬度滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質(zhì)的要求，焊縫化學(xué)成分滿足《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 8110—2008）對ER55-B2-MnV材質(zhì)的要求，焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 869）對同種低合金鋼焊接接頭硬度要求。

（2）由樣管宏觀分析可知，背火側(cè)對接焊縫上的裂紋為環(huán)向貫穿裂紋，裂紋在外壁與內(nèi)壁的位置均位于樣管對接焊縫寬度的1/2處，裂紋環(huán)向沿圓周方向向兩側(cè)扁鋼處擴(kuò)展，深度方向由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋斷口呈脆性斷口的形貌特征，斷口未見夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。在向火側(cè)對接焊縫寬度的1/2處存在一條長約2 mm，由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋。

（3）由樣管金相分析可知，向火側(cè)與背火側(cè)焊縫組織均為回火貝氏體，焊縫中未見淬硬的馬氏體組織，背火側(cè)開裂斷口、向火側(cè)裂紋均為沿晶裂紋。在背火側(cè)斷口附近與向火側(cè)裂紋附近均存在多條幾乎平行的沿晶微裂紋，微裂紋均靠近外壁。

（4）由樣管掃描電鏡及能譜分析可知，背火側(cè)焊縫微裂紋內(nèi)及斷口表面含有較高含量的S元素，而遠(yuǎn)離微裂紋及斷口的焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。向火側(cè)焊縫裂紋內(nèi)及靠近裂紋邊緣的焊縫基體均有S元素，遠(yuǎn)離裂紋焊縫的基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。

（5）本次焊接裂紋位于焊縫中心，與冷裂紋和結(jié)晶裂紋的發(fā)生區(qū)域相符。冷裂紋產(chǎn)生有三大要素，其中一個(gè)要素為焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬中存在塑性差、相變應(yīng)力大的馬氏體等淬硬組織。本次存在開裂的焊縫硬度為HBW233，焊縫組織為回火貝氏體，不是塑性差、相變應(yīng)力大的馬氏體淬硬組織，說明本次焊接裂紋的發(fā)生區(qū)域僅符合結(jié)晶裂紋的發(fā)生區(qū)域，裂紋斷口為脆性斷口，且主裂紋與微裂紋均為沿晶裂紋，這也符合結(jié)晶裂紋的特征。

綜合以上分析可知，本次對接焊口裂紋的性質(zhì)為結(jié)晶裂紋，焊縫裂紋及靠近裂紋的焊縫基體中含有較高含量的S元素，能譜分析遠(yuǎn)離裂紋的焊縫基體中未檢測到S元素，管子母材中S元素也遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)上限要求，由此推斷焊縫中的S不是母材或焊材自帶的，而是外界引入的，為焊接過程中的偶然現(xiàn)象。

4 結(jié)語

某電廠2#鍋爐折焰角送檢樣管母材的化學(xué)成分、硬度符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG材質(zhì)的要求，焊縫化學(xué)成分滿足《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標(biāo)準(zhǔn)》對ER55-B2-MnV材質(zhì)的要求，焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對同種低合金鋼焊接接頭硬度要求。2#鍋爐折焰角送檢樣管對接焊口開裂的原因?yàn)椋汉附舆^程中焊接坡口受到污染等因素，導(dǎo)致S等有害元素在焊縫中心部位聚集，使焊縫產(chǎn)生了結(jié)晶微裂紋。該電廠在啟停鍋爐及調(diào)負(fù)荷過程中，使管子受到較大的拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，焊縫中微裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而造成管子開裂，屬于偶發(fā)的焊接缺陷。

收稿日期：2020-07-29

作者簡介：張星（1987—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，從事金屬材料腐蝕與防護(hù)、檢測工作。