含噴涂層水冷壁焊縫泄露原因分析及預防措施

鄭俞國

摘要：本文以330MW機組里含噴涂層的水冷壁為研究對象，針對在水冷壁換管后水壓試驗時管道泄露問題，通過宏觀檢查、金相檢測和硬度試驗等技術方法，分析噴涂材料對焊縫的影響，并提出焊口焊接前需打光譜，光譜合格后焊接好的焊口在經射線檢測合格后采用磁粉做焊縫的探傷，確保焊縫無裂紋產生。

關鍵詞：水冷壁;焊縫裂紋;光譜分析;磁粉探傷

1 事件經過

該電廠水冷壁材質為SA-210C碳鋼，規格為Φ45×5.4mm，焊接性良好，水冷壁管內壁設計有螺紋結構。在水冷壁管爐膛內面吹灰器區域附近存在耐磨噴涂層，目前廣泛應用于鍋爐抗高溫磨蝕的電弧噴涂涂層的材料主要以 Ni-Cr 合金為基體，添加少量 Ti，Si，Mo，Al 等合金元素，采用超音速電弧噴涂技術，在水冷壁表面形成穩定的鉻氧化物，以產生耐腐蝕、抗沖刷的效果。

該電廠于2019年4月進行了#1機組D修，期間水冷壁防磨檢查，經過壁厚測量，對壁厚小于要求的管排給予更換，換管后新焊口經射線檢測，底片合格。在第一次水壓試驗，壓力18.84Mp，發現后墻C層西數第2只吹灰器東數第129根管（#129）檢修焊口泄漏，打磨后著色探傷檢查發現有多條斜向裂紋，將裂紋打磨掉后進行補焊。

第二次水壓試驗，壓力18.84Mp，發現后墻D層第124根（#124）滲水，對第124根（#124）及同等標高附近焊口焊縫及熱影響區進行磁粉檢測，發現第126根（#126）和之前焊補的132根（#132）在焊縫正面有橫向裂紋磁痕顯示。對該三處管段進行進一步滲透檢測，檢測后發現在#124與#132管段的焊縫處均發現斜向裂紋，裂紋方向與焊縫波紋方向近似平行;#126樣焊縫裂紋痕跡顯示位于鰭片角焊縫附近。

2 焊接裂紋取樣試驗

2.1 宏觀金相檢查

對出現裂紋的#1爐水冷壁管段進行割管分析，對管樣焊縫處分別取樣，磨制、拋光、侵蝕后在體式顯微鏡下觀察低倍形貌。已挖補處理的#129樣兩處接頭形貌，未見氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷。

第二次水壓試驗時泄漏的#124樣從焊縫縱截面制樣，向火面整半圈多處開裂，裂紋在厚度方向上斷續分布。在隨后磁粉探傷發現裂紋的#126樣及#132樣，通過焊縫縱截面形貌可得出裂紋未穿透，均出現在蓋面層，且呈多條分散型分布，#126樣焊縫裂紋雖然位于鰭片角焊縫附近，但與鰭片角焊縫無關。

2.2 微觀金相分析

金相試樣在光學顯微鏡下觀察，結果見表1。

2.3 硬度檢測

在制取的金相試樣上進行小負荷布氏硬度檢測，母材硬度在150～170HB之間，焊縫硬度在170～200HB之間，符合相關標準要求。

2.4 SEM檢測與能譜分析

在#124管段的裂紋內部夾雜顆粒進行SEM+EDS檢測，發現在裂紋內部有大量圓狀夾雜與不規則形狀夾雜，對于這兩類夾雜分別進行EDS能譜分析，其中圓形夾雜成分主要為Mo，不規則形狀夾雜主要成分為Si。

3 裂紋原因分析

3.1 焊接缺陷定性分析

#124、#126、#132管焊縫內部均出現了大量夾渣及裂紋缺陷。裂紋按形態可分為兩類：第一類裂紋開口較寬，有的程斷續鋸齒狀，有的呈團簇狀，兩端圓鈍，其內部還有灰色氧化物或顆粒狀夾雜，分析為夾渣引起的焊縫開裂;第二類裂紋為較細的沿晶裂紋，一般位于第一類裂紋附近，分析為雜質元素偏聚引起的熱裂紋。夾渣也可分為兩類，第一類為灰色氧化物，應為坡口內外壁銹渣和氧化皮，例如#124樣焊縫根部位置的大量夾渣開裂，為內壁未清理干凈的氧化物進入熔池引起的;第二類為開裂內部的顆粒狀夾雜，經能譜分析主要成分為Si與Mo。

3.2 難熔化合物來源分析

水冷壁管段材質為SA210C碳鋼，其焊接性良好，一般不易產生熱裂紋。對所用焊絲進行成分分析，未發現異常;通過新換管段的材質分析可排除母材缺陷導致焊縫開裂的可能。結合定性分析，水冷壁焊縫頻繁開裂泄漏很可能與焊接前坡口附近清理不干凈焊接過程中有雜質或難熔化合物。

從裂紋的宏觀形態來看，裂紋與焊波方向較為吻合，焊波為熔池推進凝固的前沿，一些難熔化合物可能在該處聚集，從而引起渣狀開裂。若在焊接前坡口未處理干凈，或是打磨工具污染坡口，將內壁的氧化皮、外壁的噴涂層金屬帶入熔池，則會產生夾渣及焊接熱裂紋。此次發生開裂及泄漏的焊口舊管一側向火面均有噴涂層，且發生開裂也均在向火面，且熱裂紋中的主要非金屬元素Si，在排除焊絲以及管件中存在的可能性后，主要來源為噴涂層，因此噴涂層污染導致熱裂紋的可能性較高。

3.3 光譜法確認坡口難熔元素

在返工階段現場對水冷壁焊接前坡口用XL2-800便攜式手持光譜分析儀進行光譜分析，分別采集噴涂層打磨干凈和噴涂層未打磨干凈處各一點作為樣本，光譜分析結果如表2所示。

在光譜分析過程中，發現類似表2中1號樣本情況的焊口占70%左右，在對坡口進行徹底打磨，并增大管徑垂直方向的打磨寬度后檢驗發現類似2號樣本的坡口數量占比約98%。說明引起焊縫熱裂紋難熔化合物元素來自于坡口未打磨干凈的噴涂層。

4 焊接裂紋現場檢測

目前水冷壁管焊縫的檢測采用100%射線透照，在射線檢測合格后較少采用其他檢測手段。但由于射線檢測對于細小裂紋存在漏檢的情況，所以，在此次施工的返工階段，針對噴涂層區域的焊縫，在射線合格后增加了磁粉檢測工序，以便進一步排除焊接裂紋缺陷。

4.1 射線檢測

在首次施工過程中，對焊縫檢驗采用100%射線透照，每天新焊口在8-24小時內進行同步射線檢測，檢驗設備為2505射線機，評片標準為NB/T47013，底片等級為AB級，對不符合標準要求的焊口進行返修處理，直至底片合格。

4.2 磁粉檢測

焊接裂紋一般與表面相通，面對表面缺陷，磁粉檢測靈敏度度高、可靠且設備簡單，可方便地在現場檢測，發現缺陷能夠及時排除和修補。在首次施工中，僅采取射線檢測，沒有判斷出焊縫裂紋。在噴涂層處焊口返工過程中，除了100%射線檢測外，為檢測焊縫熱裂紋并排除延遲裂紋的可能性，在射線合格后增加磁粉檢測工序，對所有新焊口焊縫及熱影響區進行100%的磁粉檢測。返工后水壓試驗一次合格。

5 焊接裂紋的預防措施

由裂紋原因分析可以看出，坡口處噴涂元素的殘留是此次焊接裂紋產生的主要原因。所以坡口的清理不但要將可見的雜質剔除干凈，對于肉眼無法判別的殘余難熔噴涂元素必須采取光譜儀進行確認。光譜分析應作為坡口清潔度判斷的必要工序。坡口需徹底打磨，并增大管徑垂直方向的打磨寬度，并使用光譜儀來確認坡口是否回歸母材材質，在確認無噴涂元素后方可焊接。

結語：鍋爐水冷壁管焊接質量的控制在于焊接過程中工序的控制及焊接后的檢測。針對有噴涂層區域水冷壁換管，為確保坡口無噴涂元素污染，需對坡口進行光譜分析，確認回歸母材材質后進行焊接。焊接結束后，除了對焊口進行100%射線檢測，由于射線對裂紋檢測存在漏檢的情況，故還需對射線檢測合格的焊口進行磁粉檢測，進一步排除焊縫裂紋的可能，保證水冷壁能安全可靠的運行。