圖 1斷口整體及局部微觀形貌
近年來，燃?xì)鈾C(jī)組具有良好的調(diào)峰能力與清潔排放水平，越來越受到廣泛關(guān)注[1-2]。燃?xì)鈾C(jī)組的余熱鍋爐壓力等級較高，受壓元件長期處于高溫、高壓的運(yùn)行環(huán)境下，承受著復(fù)雜多變的工作壓力和交變應(yīng)力。因此，對相關(guān)設(shè)備的材料、焊接結(jié)構(gòu)、制造工藝及檢驗(yàn)方法等均有較高要求。
高溫過熱器集箱為過熱蒸汽的匯集部件，存在大量高溫過熱管與集箱的角接接頭，其角焊縫的焊接質(zhì)量直接影響了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[3-4]。
江蘇省某460 MW燃?xì)廨啓C(jī)某高溫過熱器集箱角焊縫發(fā)生多處開裂，管子材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為32 mm×2.79 mm（外徑×壁厚）。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了焊縫開裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 金相檢驗(yàn)
在斷口處截取并制備試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，其斷口微觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷口內(nèi)外壁均存在明顯氧化膜，且外壁氧化膜較厚，說明該處已經(jīng)開裂較長時間，裂紋由外壁起始，并不斷向內(nèi)壁擴(kuò)展。開裂兩側(cè)存在多處微裂紋，裂紋內(nèi)存在氧化夾雜物。
將斷口試樣進(jìn)行腐蝕，再將其置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2~3所示。由圖2~3可知：開裂處主要位于焊縫熱影響區(qū)和粗晶區(qū)，起始區(qū)域位于焊縫熔合線附近，存在多處沿晶微裂紋；焊縫存在淬硬的馬氏體；母材區(qū)域組織為鐵素體+珠光體，球化級別為3級，未見明顯組織過熱特征。
圖 2腐蝕后斷口附近及焊縫顯微組織形貌
圖 3母材顯微組織形貌
1.2 力學(xué)性能測試
對試樣進(jìn)行小負(fù)荷維氏硬度測試，結(jié)果如圖4所示。從開裂處向母材處一共測試了25個點(diǎn)，兩點(diǎn)間間距為0.3 mm。點(diǎn)1~11的硬度為焊縫硬度，點(diǎn)12~25的硬度為熱影響區(qū)及母材硬度。
圖 4開裂焊縫附近維氏硬度測試結(jié)果
焊縫最高硬度為354 HV，遠(yuǎn)離斷口母材處的硬度為196 HV，開裂兩側(cè)硬度為330 HV，焊縫的硬度高于母材100 HV以上，結(jié)果不符合DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求。
2. 綜合分析
該高溫過熱器集箱焊縫熱影響區(qū)的硬度、組織不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度超過標(biāo)準(zhǔn)值100 HV，且焊縫存在淬硬的馬氏體（DL/T 869—2021中要求焊縫及熱影響區(qū)不應(yīng)存在淬硬的馬氏體及微裂紋），焊接質(zhì)量不佳。裂縫附近存在多處微裂紋，應(yīng)為開裂過程中的次生裂紋。母材組織為鐵素體+珠光體，組織球化級別為3級，母材的組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
該機(jī)組高溫過熱器集箱采用插入式接管，管子壁厚與集箱壁厚相差較大，且集箱接管開孔均為偏置直通孔，開孔中心線與集箱中心線不交叉，導(dǎo)致角焊縫空間形態(tài)為半馬鞍形，焊接難度與應(yīng)力集中系數(shù)較大。上集箱角焊縫除受到工質(zhì)內(nèi)壓力外，還需承受下部結(jié)構(gòu)（包括下集箱）的重力，如存在應(yīng)力分布不均的情況，易造成部分管段承載異常。下側(cè)管子長度約為21 m，當(dāng)發(fā)生升溫和降溫速率過大、膨脹受阻的情況時，集箱角焊縫位置容易發(fā)生承載異常。現(xiàn)場擴(kuò)大檢查范圍發(fā)現(xiàn)，多處開裂集箱角焊縫均位于煙氣擋板固定抱箍的固定管上，在鍋爐啟停及調(diào)峰過程中，煙氣流場會發(fā)生突變，煙氣擋板會承受交變應(yīng)力，并通過抱箍傳遞到高溫過熱器管段上，從而造成角焊縫處承受交變載荷[5]。
角焊縫的疲勞性能主要與應(yīng)力幅值、焊接質(zhì)量和初始安裝應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)應(yīng)力幅值較大時，焊接質(zhì)量的影響變小，而當(dāng)應(yīng)力幅值較小時，焊接質(zhì)量的影響變大，焊縫的組織與硬度均不合格，這使得其實(shí)際壽命遠(yuǎn)短于理論計算壽命[6-7]。
斷裂過程材料主要承受交變應(yīng)力，焊接質(zhì)量不佳促進(jìn)了裂紋的形成與快速擴(kuò)展。對高溫過熱器集箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，集箱與管間剛度差別大，在角焊縫根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使該處成為管路的薄弱環(huán)節(jié)。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)與多處開裂角焊縫連接的高溫過熱器管均有固定的煙氣擋板，煙氣擋板引起的交變應(yīng)力是角焊縫的異常應(yīng)力來源。此外，角焊縫還承受了下集箱與管道的重力、調(diào)峰造成的熱應(yīng)力及膨脹不暢造成的應(yīng)力。
3. 結(jié)語與處置措施
焊接質(zhì)量不佳、焊縫硬度偏高及組織異常促進(jìn)了裂紋的形成與擴(kuò)展，這是焊縫開裂的內(nèi)在原因。煙氣擋板帶來的交變應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力共同構(gòu)成應(yīng)力來源。建議采取以下措施預(yù)防焊縫再次開裂。
（1）擴(kuò)大檢查范圍，對過熱器系統(tǒng)集箱的角焊縫進(jìn)行磁粉或滲透檢測，及時更換開裂管段。
（2）加強(qiáng)換管前后的質(zhì)量監(jiān)督，該部位焊接難度大，易于形成焊接缺陷，在換熱管熱處理完成24 h后應(yīng)對其進(jìn)行無損檢測。
（3）對現(xiàn)場焊接接頭進(jìn)行硬度測試，硬度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要進(jìn)行返修。
（4）重點(diǎn)檢查煙氣擋板附近角焊縫的開裂情況，必要時更改煙氣擋板的固定形式，避免管段異常受力。
文章來源——材料與測試網(wǎng)