過(guò)熱器集箱三通焊縫裂紋原因分析

張 軍，宮偉基

（1.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204；華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014）

1 概述

某電廠亞臨界300 MW機(jī)組配備DG1025/18.2—II4型鍋爐，1993年10月投產(chǎn)，截至2013年9月大修時(shí)，累計(jì)運(yùn)行14萬(wàn)h。前屏和后屏過(guò)熱器集箱均布置于爐頂大包內(nèi)，前屏過(guò)熱器蒸汽通過(guò)聯(lián)絡(luò)管進(jìn)入后屏過(guò)熱器入口集箱，集箱入口為三通結(jié)構(gòu)，三通規(guī)格Ф406 mm×50 mm，材質(zhì)為12Cr1MoV。

2013年9月大修期間，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)后屏過(guò)熱器入口集箱三通焊縫存在裂紋，裂紋形態(tài)為垂直焊縫方向，采用滲透檢測(cè)方法進(jìn)一步確定裂紋分布，發(fā)現(xiàn)2條裂紋，間隔約 50 mm，如圖1所示，分別標(biāo)記為裂紋1和裂紋2，其中裂紋2貫穿整個(gè)焊縫寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

因三通結(jié)構(gòu)原因，只能對(duì)焊縫進(jìn)行環(huán)向取樣，取樣包括整圈焊縫，寬度150 mm。試驗(yàn)項(xiàng)目包括化學(xué)成分分析、顯微組織檢測(cè)、裂紋斷口檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)等。

圖1 裂紋形貌

2.1 化學(xué)成分分析

采用光譜分析方法對(duì)母材和焊縫試樣的化學(xué)成分進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，母材成分滿(mǎn)足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的要求，焊縫成分與母材一致，材料化學(xué)成分正常。

表1 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 %

2.2 顯微組織分析

2.2.1 試樣制備

在裂紋2處制備顯微組織分析試樣，編號(hào)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，如圖2所示；垂直于裂紋方向?qū)?1號(hào)試樣切割成 3個(gè)小試樣，分別標(biāo)記為 1-1、1-2、1-3，如圖3所示，其磨面為徑向。2號(hào)試樣磨面為管徑切向，3號(hào)樣磨面為軸向。遠(yuǎn)離裂紋方向制備4號(hào)試樣，磨面為徑向。

圖2 1-3號(hào)試樣位置

圖3 1號(hào)樣分割圖

2.2.2 非金屬夾雜物檢測(cè)

根據(jù) GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》的規(guī)定，取3號(hào)試樣進(jìn)行觀察，拋光態(tài)顯微形貌如圖4所示，可觀察到B類(lèi)夾雜物和D類(lèi)夾雜物形態(tài)；根據(jù)A法檢驗(yàn)評(píng)定，B類(lèi)非金屬夾雜物為 B1.5級(jí)，粗系D類(lèi)非金屬夾雜物為D1.5級(jí)，細(xì)系非金屬夾雜物為D3級(jí)。

圖4 縱截面拋光態(tài)夾雜

在掃描電子顯微鏡下觀察橫向截面，非金屬夾雜物截面主要呈現(xiàn)圓形，如圖5所示。

圖5 橫截面掃描電鏡夾雜物（1 000倍放大）

2.2.3 顯微分析

1號(hào)試樣宏觀形貌如圖6所示，從圖中可以看出，該條裂紋存在分支，主裂紋周?chē)植贾渌⒘鸭y，主裂紋邊沿存在氧化產(chǎn)物，呈沿晶擴(kuò)展特征，部分微裂紋起裂于焊縫外表面。

2號(hào)試樣裂紋裂紋呈現(xiàn)沿晶擴(kuò)展特征，如圖7所示，裂紋擴(kuò)展垂直熔合線方向，焊縫處的二次裂紋較少，焊縫處的組織為鐵素體、貝氏體、碳化物和少量珠光體。

圖6 1號(hào)試樣裂紋形貌（50倍放大）

圖7 2號(hào)裂紋熔合線處形貌（50倍放大）

母材金相組織為鐵素體、碳化物和珠光體，其中珠光體發(fā)生一定程度的球化，球化等級(jí)2-3級(jí)，如圖所示8。

圖8 2號(hào)試樣母材金相組織（500倍放大）

3號(hào)試樣的宏觀形貌如圖9所示，可清晰觀察到焊縫、熱影響區(qū)和母材 3個(gè)區(qū)域，在試樣焊縫左側(cè)，肉眼可見(jiàn)一個(gè)大夾雜物。

圖9 3號(hào)試樣形貌

4號(hào)試樣形貌如圖10所示，焊縫區(qū)域存在氣孔，某些氣孔周?chē)嬖诹鸭y，裂紋貫穿整個(gè)氣孔，呈鋸齒狀擴(kuò)展。

圖10 4號(hào)試樣形貌（50倍放大）

對(duì)該裂紋掃描電子顯微鏡下觀察，裂紋呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂特征，裂紋周?chē)嬖谝恍┎贿B續(xù)微裂紋，微裂紋周?chē)植贾恍┪⒖斩?，如圖11所示。

圖11 4號(hào)試樣裂紋（500倍放大）

掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)該區(qū)域某些氣孔內(nèi)存在夾雜，夾雜物呈球形，直徑約 400 μm，如圖12所示。

電子顯微鏡能譜檢測(cè)結(jié)果顯示該夾雜物Ca，Ti元素含量較高，如表2所示，推斷該夾雜物產(chǎn)生于焊接過(guò)程。

2.4 裂紋斷口檢測(cè)

打開(kāi)1-2試樣觀察斷口，發(fā)現(xiàn)裂紋斷口表面呈現(xiàn)灰黑色，部分?jǐn)嗝娓采w著暗紅色物質(zhì)，斷面凹凸不平，如圖14。試樣經(jīng)過(guò)超聲波清洗后，其斷面上的暗紅色物質(zhì)未見(jiàn)剝離。采用化學(xué)清洗的方法，去除部分覆蓋的氧化物，在電子顯微鏡下，斷面上可見(jiàn)放射狀的裂紋擴(kuò)展花樣，放射線起源于焊縫表面，放射花樣沿焊縫厚度方向擴(kuò)展，如圖15所示。

圖12 氣孔內(nèi)的夾渣（64倍放大）

表2 電子顯微鏡能譜檢測(cè)結(jié)果 %

圖14 斷口宏觀形貌

圖15 斷口微觀形貌

雖然試樣經(jīng)過(guò)清洗，但裂紋斷面處氧化物依舊存在，并且覆蓋較嚴(yán)重，部分氧化物表面存在龜裂，說(shuō)明試樣開(kāi)裂后，裂紋的擴(kuò)展經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間。

2.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，對(duì)母材試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，取樣位置平行于焊縫，兩個(gè)拉伸試樣均在標(biāo)距內(nèi)斷裂，拉伸數(shù)據(jù)有效，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可見(jiàn)，該失效焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但是斷后延伸率明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明該材料經(jīng)過(guò)14萬(wàn)h運(yùn)行后，材料強(qiáng)度升高，塑、韌性降低，材料變脆。

表3 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

拉伸斷口主要由剪切斷裂區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)兩部分區(qū)域組成，剪切斷裂區(qū)以準(zhǔn)解理形貌為主，斷口上存在解理臺(tái)階，如圖16所示，裂紋擴(kuò)展區(qū)主要以韌窩形貌為主，如圖17所示。

圖16 剪切斷裂區(qū)（500倍放大）

根據(jù) GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》和 GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》，在 3號(hào)試樣上進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，測(cè)試位置如圖18所示。

標(biāo)線1和 2均從焊縫中心往母材方向進(jìn)行測(cè)試，表 4和表5分別為測(cè)試結(jié)果。將維氏硬度換算為布氏硬度，繪制所得的布氏硬度分布曲線如圖 19所示。

圖17 裂紋擴(kuò)展區(qū)（500倍放大）

從圖19可見(jiàn)，標(biāo)線1和標(biāo)線2上布氏硬度變化規(guī)律相同，在焊縫中心區(qū)域，硬度值較高，熱影響區(qū)次之，母材處最低。比較標(biāo)線1和標(biāo)線2上的硬度值，發(fā)現(xiàn)同位置處標(biāo)線 1的硬度值普遍低于標(biāo)線 2，分析原因?yàn)樵诤癖诠艿臒崽幚磉^(guò)程中，內(nèi)壁加熱溫度得不到保證，熱處理效果不佳。標(biāo)線1焊縫處布氏硬度的平均值為268 HB，母材處布氏硬度的平均值為179 HB；標(biāo)線2焊縫處布氏硬度的平均值為286 HB，母材處布氏硬度的平均值為166 HB。

圖19 3號(hào)試樣標(biāo)線1和2布氏硬度分布

標(biāo)線3和標(biāo)線4測(cè)試區(qū)域?yàn)槟覆?，分別從外表面向試樣厚度方向測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6和表7所示。

表4 標(biāo)線1硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 標(biāo)線2硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 標(biāo)線3硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

表7 標(biāo)線4硬度測(cè)試數(shù)據(jù)

硬度測(cè)試結(jié)果顯示，焊縫處的硬度值均大于270 HB；標(biāo)線3處母材硬度平均值為193 HB。

3 失效原因分析

后屏過(guò)熱器入口聯(lián)箱三通與支管焊縫，與其相鄰結(jié)構(gòu)之間未見(jiàn)裝配異常，運(yùn)行14萬(wàn)h后出現(xiàn)開(kāi)裂，且裂紋表面覆蓋較厚的氧化物，內(nèi)部裂紋發(fā)生氧化，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展時(shí)間較長(zhǎng)。

力學(xué)性能檢測(cè)顯示材料強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，但是塑性指標(biāo)較低，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

DL/T 869—2012 《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》“7.3.1同種鋼焊接接頭熱處理后焊縫的硬度，一般不超過(guò)母材布氏硬度值加100 HBW，且不超過(guò)下列規(guī)定：合金總含量＜3%時(shí)，布氏硬度值≤270 HBW”的規(guī)定，該過(guò)熱器入口集箱三通焊縫硬度超標(biāo)；焊縫附近母材硬度超過(guò)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中規(guī)定的12 Cr1MoV鋼硬度上限（180 HB）；表明該過(guò)熱器入口集箱三通焊縫焊后熱處理不合格，將影響該焊縫的壽命。

對(duì)集箱三通焊縫的受力進(jìn)行分析，集箱三通受結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用，產(chǎn)生裂紋或損壞，應(yīng)該發(fā)生在焊接接頭的熔合線區(qū)域，向周向發(fā)展；集箱三通承受介質(zhì)工作壓力而產(chǎn)生的應(yīng)力作用，產(chǎn)生裂紋或損壞，為軸向發(fā)展；所以分析認(rèn)為，造成該過(guò)熱器入口集箱三通焊縫產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力主要是介質(zhì)工作壓力。

顯微組織檢測(cè)顯示材料球化級(jí)別中級(jí)，微觀分析中所出現(xiàn)的沿晶開(kāi)裂形貌、顯微空洞等，結(jié)合集箱三通焊縫產(chǎn)生裂紋的主要應(yīng)力狀態(tài)，因此判斷該焊縫失效形式應(yīng)力型蠕變脆性斷裂。

焊縫中存在較多的非金屬夾雜、大的氣孔，均加劇了材料開(kāi)裂失效的速度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合試驗(yàn)結(jié)果和分析，后屏過(guò)熱器入口集箱三通焊縫焊后熱處理不合格，焊縫材料提前老化，在介質(zhì)工作壓力作用下，發(fā)生應(yīng)力型蠕變脆性斷裂，因此對(duì)于該類(lèi)型三通結(jié)構(gòu)，要加強(qiáng)檢修期間的金屬監(jiān)督檢驗(yàn)，機(jī)組啟停和運(yùn)行期間盡量避免溫度壓力的大幅度波動(dòng)等，保證機(jī)組安全運(yùn)行。