水冷壁管環焊縫開裂原因分析

鄭建軍，劉濤瑋，樊子銘，張濤

（內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 前言

作為火力發電機組重要的水循環系統，水冷壁通常由許多單排并聯起來垂直敷設在鍋爐爐膛四周的鋼管構成，主要起到吸收爐膛中燃燒器產生的高溫火焰和煙氣所輻射的熱量的作用[1]。目前，因“四管”失效所造成的安全生產故障占鍋爐總事故的70%左右[2?3]，而其中由水冷壁管失效引發的故障率更是達到了近40%[4?7]。范志東等人[6]對某超(超)臨界鍋爐水冷壁管泄漏事故可能性原因進行了研究分析，結果表明H 形鰭片與水冷壁彎管的角焊縫質量差，存在未焊透、氣孔、縮孔等缺陷，進而導致角焊縫的強度降低、局部應力集中、冷卻效果差，并在服役不久后引發了開裂泄漏。張濤等人[8]研究了某350 MW超臨界直流鍋爐水冷壁對接接頭運行40 000 h 后的開裂行為，發現該水冷壁對接接頭的焊接工藝參數選擇不當、拘束度較大，從而導致焊縫內形成了大量一次結晶裂紋，結晶裂紋在長時間交變應力的作用下不斷擴展至貫通焊縫進而引發開裂泄漏。王建國等人[9]的研究結果同樣表明某電廠水冷壁管的泄漏與焊接質量有關。可見水冷壁管的失效，特別是因焊接質量不合格而引發的開裂泄露故障已成為嚴重影響機組安全穩定運行和保障供電安全的因素。因此，研究鍋爐水冷壁管失效的原因以及采取相應的預防措施，對保證火電機組的安全運行具有非常重要的指導意義。文中對某電廠水冷壁管環焊縫的開裂原因及機理進行研究分析，旨在為預防同類型焊接缺陷提供借鑒，并為深度調峰燃煤機組的長期安全運行提供理論參考。

1 試驗方法

某電廠2 號鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的超臨界參數、變壓直流、一次再熱、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π 型鍋爐，型號為SG-2141/25.5，等級為660 MW。鍋爐的過熱蒸汽最大連續蒸發量(B-MCR)為2 141t/h，額定蒸發量(BRL)為2 076t/h，額定蒸汽壓力為25.5 MPa，額定蒸汽溫度為571 ℃；再熱蒸汽的蒸汽流量B-MCR/BRL 為1 772/1 712t/h，進口/出口蒸汽壓力為4.50/4.31 MPa，進口出口蒸汽溫度為327/569 ℃，給水溫度為288/286 ℃。發生泄露故障的水冷壁管規格為?38 mm×7.0 mm，材質為15CrMoG。利用SPECZROMAXx型臺式直讀光譜儀對水冷壁管及的化學成分進行測試分析；利用Axio Observer Alm 型金相顯微鏡觀察管材及焊縫的金相組織，腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液；利用THBC-3000DA 型布氏硬度計分別對水冷壁管母材、熱影響區及焊縫的硬度進行測試；利用S-3700N型掃描電子顯微鏡(SEM)及Bruker-XFLash Detector 510 型能譜分析儀(EDS)對焊縫內部缺陷進行微區形貌觀察及化學成分分析。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

如圖1 所示，結合現場照片和宏觀形貌的觀察結果可以看出，裂紋位于鰭片與水冷壁管焊縫的根部，并與環焊縫重疊，長度約為10 mm；漏點附近管壁存在一定銹蝕痕跡，此外未見明顯脹粗及減薄特征、機械損傷和磨損等痕跡，如圖1(a)～圖1(c)所示。將漏點附近的水冷壁管沿縱向剖開取樣后可以觀察到，水冷壁管采用了對接焊接形式，而開裂位置剛好為焊接接頭處，裂紋由水冷壁管外壁形成，并向內壁擴展；此外，在裂紋附近的焊縫內還發現了氣孔類焊接缺陷，而水冷壁管內壁也觀察到了因焊劑填充量過大而形成的咬邊缺陷，如圖1(d)所示。

圖1 水冷壁管各部位宏觀形貌

2.2 化學成分檢測與分析

對泄漏的水冷壁管取樣進行化學成分檢測，檢測結果見表1。從表中可以看出，水冷壁管材中各化學元素的含量均符合標準GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[10]對15CrMoG 鋼化學成分的要求。

表1 水冷壁管化學成分 (質量分數，%)

2.3 顯微組織檢測與分析

將泄漏的水冷壁管自漏點處取樣進行金相組織檢測，如圖2 所示。由圖2(a)中可以看出，裂紋啟裂于鰭片焊縫與水冷壁管環焊縫熱影響區的細晶區（區域1），該區域主要由鐵素體+不完全相變組織組成，如圖2(b)所示；此外，還可以觀察到裂紋呈貫穿性沿水冷壁管環焊縫向內壁擴展，裂紋尖端較圓頓，且在裂紋附近還觀察到了氣孔及線型夾渣等焊接缺陷，如圖2(c)所示。焊縫組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見，貝氏體組織較粗大，且內部分布著大量長條狀或顆粒狀M/A 島，如圖2(d)所示。遠離裂紋的母材基體組織為鐵素體+珠光體，珠光體區域明顯，局部區域的碳化物呈片層狀，部分區域的片層狀碳化物開始分散，晶界有少量碳化物，球化級別為1.5 級，介于未球化與傾向性球化之間，如圖2(e)所示。

圖2 水冷壁管各部位金相組織

2.4 EDS 能譜檢測與分析

圖3 為夾渣EDS 能譜檢測結果。由圖3(a)中可以觀察到，夾渣主要呈不規則線型，內部組織較疏松。通過圖3(b)及表2 可以看出夾渣的化學元素組成主要為C，O，Cr，Fe。其中，Fe 元素和O 元素的含量較高，表明夾渣主要為鐵的氧化物。

表2 焊縫夾渣化學成分（質量分數，%）

2.5 硬度測試與分析

沿水冷壁管爆口橫截面取樣進行硬度測試，結果如圖4 所示，從圖中可以看出，焊縫的硬度較高，而母材的硬度較低，且硬度值從焊縫組織到母材呈逐漸減小的變化趨勢。GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管中》[10]中規定15CrMoG 規定的母材硬度值應為125～170 HBW，DL/T 869—2012《火力發電廠焊接技術規程》[11]對同種鋼焊接接頭硬度的要求為不低于母材硬度的90%，不超過母材硬度加100 HBW，表明水冷壁管母材和焊接接頭的硬度均符合標準要求。

圖4 水冷壁管爆口橫截面硬度測試示意圖

2.6 開裂原因及機理分析

近年來，15CrMoG 因其優良的熱強性、焊接性被廣泛用于制備超臨界鍋爐水冷壁管，但在實際使用過程中也逐漸暴露出一些因焊接工藝不合規或操作不當而引發的焊接接頭失效故障[6,8?9,12]。文中的水冷壁管同樣開裂于焊縫位置，且該位置幾何結構十分復雜，屬于拐角部位的鰭片焊縫根部，既包含水冷壁管環接焊縫，又包含水冷壁管與鰭片的連接焊縫，存在焊縫重疊交叉的特征，因此受焊接殘余應力和彎曲殘余應力作用的影響較大。

由金相組織的觀察結果可以發現，裂紋啟裂于鰭片與水冷壁管環焊縫熱影響區的細晶區，即水冷壁管外壁，該區域的金相組織主要為鐵素體+碳化物，屬于不完全相變組織，力學性能較差。需要說明的是，如果不存在鰭片縱焊縫與水冷壁管環焊縫交叉的連接結構，那么啟裂部位應與環焊縫一樣，基體組織均為針狀鐵素體+粒狀貝氏體；而鰭片與水冷壁管環焊縫間的重疊焊接，相當于對水冷壁管環焊縫表面進行了一次非正常熱處理，從而導致環焊縫的表層組織發生了介于Ac1～Ac3之間的不完全相變，也使其與環焊縫組織形成了較大的硬度差，力學性能發生了顯著劣化，該因素為導致水冷壁管開裂的主要原因。此外，在裂紋附近的環焊縫組織中觀察到了較多的氣孔及線型夾渣等焊接缺陷，氣孔的形成可能與焊件表面和坡口存在油、銹、水分等污染物或焊接電流太小、焊接速度過快有關，而夾渣的形成同樣與焊接過程清渣不凈、焊接電流太小、焊接速度過快有關，表明水冷壁管在對接焊接過程中存在工藝不合格或操作不當的問題，此為導致水冷壁管開裂的次要原因。

水冷壁管在運行過程中，裂紋逐漸于鰭片縱焊縫與對接環焊縫交叉的薄弱處形成（圖5），并在機組啟停或熱負荷變化較大時產生的交變應力、焊接殘余應力和彎曲殘余應力的共同作用下不斷向內壁延伸，而夾渣和氣孔的存在又進一步加速了裂紋的擴展，最終導致裂紋貫穿水冷壁管環焊縫并引發泄露。

圖5 水冷壁管啟裂位置示意圖

3 結論

（1）水冷壁管啟裂于對接環焊縫與鰭片縱焊縫的交叉處，該部位的焊接殘余應力及彎曲約束力程度較高，且基體為不完全相變組織，力學性能較差。

（2）環焊縫的基體組織中存在因焊接工藝不合格或操作不當產生的夾渣和氣孔等焊接缺陷，既降低了環焊縫的硬度，又進一步加速了裂紋的擴展。

（3）在機組啟停或熱負荷變化較大時產生的交變應力、焊接殘余應力及彎曲約束力的共同作用下，裂紋不斷貫穿對接環焊縫并向鋼管內壁延伸，最終導致水冷壁管開裂泄漏。

（4）建議首先在進行水冷壁管的焊接結構設計時，應盡量避免出現焊縫交叉重疊的現象；其次，加強對焊接質量的把控，并在焊接完成后及時進行宏觀檢驗及無損檢測。