旋風(fēng)分離器中心筒失效分析及焊接工藝探究

張 潔， 張 珣， 程 翔,2

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽新力電業(yè)科技咨詢有限責(zé)任公司， 安徽 合肥 230601)

0 序言

旋風(fēng)分離器中心筒是循環(huán)流化床鍋爐的重要部件。中心筒與分離器圓形筒體兩者之間為煙氣通道，燃料中灰粒在離心力和重力的雙重作用下分離出來，煙氣轉(zhuǎn)向上成為旋流，最后由中心筒頂部出口排出進(jìn)入尾部煙道[1]。

鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒失效斷裂原因主要分為材質(zhì)錯用和焊接質(zhì)量控制不當(dāng)兩種情況[2]，鉻鎳奧氏體類合金焊縫如果焊接工藝控制不當(dāng)容易出現(xiàn)晶間腐蝕、熱裂紋和氧化等缺陷。某電站鍋爐為DG-1100/17.4-Ⅱ2型循環(huán)流化床鍋爐。該鍋爐數(shù)個旋風(fēng)分離器中心筒水平焊縫在焊接過程中開裂。中心筒材質(zhì)為ZGCr25Ni20，采用鑄造板材拼接成型，板厚16 mm。中心筒內(nèi)介質(zhì)為煙氣，設(shè)計操作溫度900 ℃。

1 實驗及方法

1.1 宏觀失效樣

宏觀失效樣為一帶裂紋焊縫樣，裂紋寬1～2 mm，裂紋一側(cè)已斷開，試樣內(nèi)外表面均有紅色鐵銹。

1.2 化學(xué)成分分析

該中心筒材質(zhì)為ZGCr25Ni20，合金的化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

由表1可知，中心筒母材和焊縫中的元素含量正常。

1.3 金相樣

使用儀器：德國Axio-observer AIM金相顯微鏡。在離裂紋中心約9 mm焊縫處(二個方向)、二塊母材處各取一只金相試樣，各試樣編號、位置、形狀及金相磨面見表2。

表2 取樣情況

經(jīng)粗磨→細(xì)磨→拋光→三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕，在金相顯微鏡下觀察分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 顯微組織分析

圖1所示為相關(guān)的顯微組織照片，圖1a所示為過渡段金相組織照片，焊縫組織為樹枝狀結(jié)晶和等軸晶奧氏體(圖1b)，焊縫及熱影響區(qū)顯微組織中都有微裂紋的存在，焊縫斷口邊緣亦存在有微裂紋(圖1c)；熱影響區(qū)中微裂紋見圖1d中的箭頭所示；筒體外壁邊緣有較多縮孔(圖1e，未腐蝕情況)，筒體組織為樹枝狀奧氏體，且有許多碳化物和第二相析出，如圖1f所示。

從顯微組織結(jié)果中可以看出，試樣的焊縫和熱影響區(qū)組織中均有微裂紋，可見焊接質(zhì)量較差；試樣的內(nèi)外表面有較多縮孔和微裂紋，可知筒體母材內(nèi)存在原始鑄造缺陷。該筒體的原始母材材質(zhì)為ZGCr25Ni20，其顯微組織為單向?qū)\晶奧氏體，而現(xiàn)在的顯微組織為樹枝狀奧氏體，且有許多碳化物和第二相析出。這表明，該試樣的顯微組織發(fā)生了變化，其原因是由于在高溫條件下長時間運行，母材顯微組織中的等軸晶逐漸成長，長大，最后轉(zhuǎn)化為粗大的樹枝狀晶，同時伴隨著有許多碳化物和第二相析出，該母材顯微組織老化現(xiàn)象明顯。

圖1 焊縫、母材、熱影響區(qū)等顯微組織照片

2.2 斷口分析

對斷口部分進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋面里側(cè)(緊接沒掉下部分)顏色深(圖2a所示)，往外側(cè)走顏色變淺，然后又深，為深蘭-咖啡-深黃-淺灰-深灰。按照斷口顏色判斷，左方先裂，接著向右方擴展，而且裂了一段時間。

圖2 斷口微觀形貌

為了更好地觀察斷口的形貌特征，將斷口置于ZEISS電鏡下，對斷口先斷部位進(jìn)行掃描電鏡分析，觀察其微觀形貌，掃描結(jié)果見圖2b(50倍電鏡下)和圖2c(200倍電鏡下)，從顯微照片上可以看出，該斷口為沿晶斷裂，圖2c中顯示其組織中一晶粒與其他晶粒已成剝離狀態(tài)。

2.3 原因分析

筒體母材和焊縫中的主要元素含量正常，筒體壁厚符合公稱尺寸。筒體焊縫斷口附近有較多縮孔及微裂紋，焊接質(zhì)量差；焊縫及母材組織老化，碳化物和第二相析出，由等軸晶變成粗大的樹枝晶，對焊接性能有不利影響；筒體母材內(nèi)外壁邊緣有較多縮孔及微裂紋，鑄造缺陷多。掃描電鏡顯示斷口呈現(xiàn)沿晶開裂，所以焊縫開裂為脆性斷裂。

該旋風(fēng)分離器筒體焊縫開裂為沿晶脆性斷裂，為熱裂縫開裂。焊縫中富集在晶界的雜質(zhì)及缺陷提供了焊縫開裂的裂紋源；Ni-Cr鑄鋼可焊性不好，焊工經(jīng)驗欠缺，不恰當(dāng)?shù)暮附硬僮鞣绞降葘?dǎo)致焊縫開裂。

熱裂紋是在焊縫成形中高溫下產(chǎn)生的，具有典型的晶界開裂特征。另外柱狀晶組織形態(tài)相比等軸晶容易促進(jìn)焊縫中雜質(zhì)偏析和缺陷產(chǎn)生，加上奧氏體本身線膨脹系數(shù)大，冷卻時收縮熱應(yīng)力大，故易產(chǎn)生熱裂紋[3]。

2.4 焊接工藝討論

2.4.1 焊接控制要點

(1)防止焊縫晶間腐蝕：晶間腐蝕在焊縫區(qū)域容易發(fā)生，產(chǎn)生原因和奧氏體鋼晶間貧鉻有關(guān)。奧氏體不銹鋼在450～850 ℃溫度區(qū)間極易產(chǎn)生晶間腐蝕，這是因為溫度小于450 ℃時，碳元素擴散能力不強；當(dāng)溫度升高至850 ℃以上時，晶粒內(nèi)鉻擴散能力加強，晶粒內(nèi)鉻元素與碳元素結(jié)合碳化鉻，所以在焊接過程中嚴(yán)格控制450～850 ℃區(qū)域的溫度停留時間[4,5]。

(2)防止熱裂：0Cr25Ni20材料在焊接過程當(dāng)中有很強的熱裂紋形成傾向。有些不銹鋼為了提高抗裂性通過加入形成鐵素體化學(xué)元素，但是對于中心筒0Cr25Ni20合金，如果焊縫的成分與母材相差太大，會直接影響焊接接頭的使用要求[6]。此類合金發(fā)生熱裂主要由于化學(xué)成分、組織和合金性能因素，有害元素S、P容易在粗大奧氏體柱狀晶組織上偏析，形成連續(xù)晶間液膜，這些液膜在焊接熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生開裂。

(3)防止奧氏體不銹鋼焊接熱裂主要從以下幾點考慮：控制焊縫有害元素含量，如S、P；選擇低氫焊條促使焊縫晶粒細(xì)化；規(guī)范焊接工藝，焊接時小電流、快冷，并且控制層間溫度。

(4)防止氧化：合金在空氣中高溫下會產(chǎn)生氧化，所以要求采用一定的保護(hù)措施，一般方法有惰性氣體保護(hù)、焊藥保護(hù)等，也有采用氮+氫混合氣體保護(hù)。

2.4.2 焊接材料的選擇

為了滿足奧氏體不銹鋼特殊的使用性能，奧氏體不銹鋼焊接材料的選用原則，應(yīng)使焊縫金屬的合金成分與母材成分基本相同，并盡量降低焊縫金屬中碳含量和S、P等雜質(zhì)的含量。焊接材料成分大致與母材成分相似，焊條中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能高于母材，可以保證一定的抗腐蝕能力，一般選用含鈦和鈮元素的低氫型焊條，可以使焊縫晶粒細(xì)化，減少雜質(zhì)偏析，提高抗裂性。鎢極氬弧焊時宜選用直徑不大于2.5 mm的焊絲，焊條電弧焊宜選用直徑2.5 mm～3.2 mm的焊條。

2.4.3 焊接工藝注意點

(1)坡口制備：用砂輪刨切割出55°V型坡口，并磨平后進(jìn)行滲透探傷，確認(rèn)無裂紋后才能預(yù)熱焊接，應(yīng)采取措施避免母材與碳鋼或者其他合金鋼接觸，以防止鐵離子污染，測量坡口和焊縫尺寸應(yīng)采用不銹鋼材料或者其他防止鐵離子污染的專用焊口檢測工具。坡口清理、清理焊渣和飛濺物宜選用無氯鋁基無鐵材料制成的紗布、砂輪片或者選用不銹鋼材料制成的鋼絲刷或者其他專用材料制成的器具。

(2)奧氏體材料冷裂傾斜小，焊前盡量不預(yù)熱。焊接時盡量采用小的焊接線能量，縮短敏化溫度區(qū)域的停留時間。采用小電流、弱規(guī)范、較快的焊接速度，層間厚度不宜大于焊條直徑。焊接過程中要嚴(yán)格控制層間溫度。

(3)奧氏體鋼焊接后除非對耐蝕性及力學(xué)性能有特殊要求，原則上不進(jìn)行焊后熱處理。

3 結(jié)語

(1)鑄造母材及焊縫區(qū)域有較多微裂紋，在晶界處有鏈狀碳化物。材料在高溫下長期使用時，數(shù)量較多的大尺寸碳化物會引起晶界脆化。同時焊縫工藝控制不當(dāng)，兩種因素導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)熱裂現(xiàn)象。

(2)鑄造奧氏體不銹鋼的焊接質(zhì)量受到材料、焊接工藝、焊接操作等方面影響，本文通過失效案例分析提出相應(yīng)的防止措施，進(jìn)一步地提高此類合金焊接質(zhì)量。