某電廠鍋爐折焰角對接焊口裂紋分析

張星 夏建秋 張叢生 徐航

摘要：針對某電廠2#鍋爐右折焰角管背火側對接焊縫處發(fā)生泄漏的情況，電廠工作人員將折焰角泄漏管段進行取樣分析，經分析發(fā)現(xiàn)送檢樣管對接焊口開裂的原因是焊接過程中焊接坡口受到污染等，S等有害元素在焊縫中心部位聚集，使焊縫產生了結晶微裂紋。電廠在啟停鍋爐及調負荷過程中，使管子受到較大的拉應力，導致焊縫中微裂紋擴展，造成管子開裂。

關鍵詞：對接焊口;開裂;結晶裂紋;12Cr1MoVG;ER55-B2-MnV

0 引言

某電廠2#鍋爐機組的氣動給水泵調閥自動關閉，引起煤水比失調，造成鍋爐折焰角溫度高而保護動作并MFT（主燃料跳閘）。機組于3 h后再次啟動，運行至第二天發(fā)現(xiàn)水冷壁出現(xiàn)泄漏，機組停機檢查，發(fā)現(xiàn)右墻螺旋水冷壁管及3#燃燒器附近彎管段均有泄漏點，搶修完成后，電廠在上低溫低壓循環(huán)水時發(fā)現(xiàn)，鍋爐右折焰角管背火側對接焊縫處有泄漏。泄漏點位置標高約47 m，泄漏點水平位置在鍋爐右數(shù)第4個折焰角支架對應處。該電廠將折焰角泄漏管段取樣進行分析，送檢管段長約100 mm。

1 試驗內容

對所取樣品進行以下試驗分析：（1）宏觀檢查;（2）化學成分分析;（3）硬度試驗;（4）金相分析;（5）掃描電鏡分析;（6）能譜分析。

2 試驗結果及分析

2.1? ? 宏觀檢查

本文通過對送檢管段進行宏觀檢查可見，管子上存在一處對接環(huán)縫，外表面焊縫余高已被打磨去除，對接焊縫上存在一處環(huán)向貫穿裂紋，裂紋沿環(huán)向擴展至管子與扁鋼的縱向焊縫處，內外壁裂紋長度約占管子外弧的1/2，裂紋在外壁與內壁的位置均位于樣管對接焊縫寬度的中心處，開裂樣管有朝背火側方向彎曲的現(xiàn)象。

除此裂紋外，開裂樣管以及與其相鄰樣管未見脹粗、吹損減薄等其他缺陷。

2.2? ? 化學成分分析

對焊縫兩側母材及焊縫進行化學成分分析，檢測結果如表1所示。由分析結果可知，母材的化學成分滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質的要求，焊縫的化學成分滿足《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標準》（GB/T 8110—2008）對ER55-B2-MnV材質的要求。

2.3? ? 硬度試驗

對樣管母材與焊縫進行維氏硬度試驗，并按ISO 18265標準換算成布氏硬度，試驗結果如表2所示。由硬度結果可知，對接焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》（DL/T 869）對同種低合金鋼焊接接頭硬度的要求，母材硬度滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質的要求。

2.4? ? 金相分析

開裂樣管背火側外壁熱影響區(qū)及母材金相圖片如圖1、圖2所示，熱影響區(qū)金相組織為回火貝氏體+鐵素體。母材金相組織為鐵素體+珠光體，無脫碳層，母材晶粒度為9.0級。

開裂樣管背火側內壁焊縫、熱影響區(qū)及母材金相組織如圖3、圖4所示，內壁焊縫金相組織為回火貝氏體，熱影響區(qū)金相組織為回火貝氏體+鐵素體+珠光體，母材金相組織為鐵素體+珠光體，母材內壁無脫碳，母材晶粒度為9.0級。

在開裂樣管向火側焊縫處取金相試樣，磨拋縱向截面，可以看到在焊縫寬度的1/2處有一條由外壁向內壁擴展的裂紋，長度約2 mm。裂紋處焊縫金相組織如圖5所示，可以看出裂紋為沿晶裂紋，焊縫金相組織為回火貝氏體，向火側焊縫組織形貌與背火側相同，在裂紋附近存在多條與裂紋擴展方向近似平行的靠外壁微裂紋，長度約0.2 mm。

2.5? ? 掃描電鏡與能譜分析

對背火側試樣的金相磨拋面、試樣焊縫斷口進行掃描電鏡及能譜分析，分析結果表明，背火側焊縫微裂紋內含S元素1.16%，斷口表面含S元素0.49%，而遠離微裂紋及斷口的焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。對向火側試樣的金相磨拋面進行掃描電鏡及能譜分析，分析結果表明，向火側焊縫裂紋內含S元素0.33%，靠近裂紋焊縫基體含S元素0.32%，遠離裂紋焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。

3 綜合分析

（1）通過對樣管母材、焊縫進行化學成分及硬度分析，結果表明，母材化學成分、硬度滿足《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 5310—2017）對12Cr1MoVG材質的要求，焊縫化學成分滿足《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標準》（GB/T 8110—2008）對ER55-B2-MnV材質的要求，焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》（DL/T 869）對同種低合金鋼焊接接頭硬度要求。

（2）由樣管宏觀分析可知，背火側對接焊縫上的裂紋為環(huán)向貫穿裂紋，裂紋在外壁與內壁的位置均位于樣管對接焊縫寬度的1/2處，裂紋環(huán)向沿圓周方向向兩側扁鋼處擴展，深度方向由外壁向內壁擴展，裂紋斷口呈脆性斷口的形貌特征，斷口未見夾渣、氣孔、未熔合等缺陷。在向火側對接焊縫寬度的1/2處存在一條長約2 mm，由外壁向內壁擴展的裂紋。

（3）由樣管金相分析可知，向火側與背火側焊縫組織均為回火貝氏體，焊縫中未見淬硬的馬氏體組織，背火側開裂斷口、向火側裂紋均為沿晶裂紋。在背火側斷口附近與向火側裂紋附近均存在多條幾乎平行的沿晶微裂紋，微裂紋均靠近外壁。

（4）由樣管掃描電鏡及能譜分析可知，背火側焊縫微裂紋內及斷口表面含有較高含量的S元素，而遠離微裂紋及斷口的焊縫基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。向火側焊縫裂紋內及靠近裂紋邊緣的焊縫基體均有S元素，遠離裂紋焊縫的基體中未發(fā)現(xiàn)S元素。

（5）本次焊接裂紋位于焊縫中心，與冷裂紋和結晶裂紋的發(fā)生區(qū)域相符。冷裂紋產生有三大要素，其中一個要素為焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬中存在塑性差、相變應力大的馬氏體等淬硬組織。本次存在開裂的焊縫硬度為HBW233，焊縫組織為回火貝氏體，不是塑性差、相變應力大的馬氏體淬硬組織，說明本次焊接裂紋的發(fā)生區(qū)域僅符合結晶裂紋的發(fā)生區(qū)域，裂紋斷口為脆性斷口，且主裂紋與微裂紋均為沿晶裂紋，這也符合結晶裂紋的特征。

綜合以上分析可知，本次對接焊口裂紋的性質為結晶裂紋，焊縫裂紋及靠近裂紋的焊縫基體中含有較高含量的S元素，能譜分析遠離裂紋的焊縫基體中未檢測到S元素，管子母材中S元素也遠低于標準上限要求，由此推斷焊縫中的S不是母材或焊材自帶的，而是外界引入的，為焊接過程中的偶然現(xiàn)象。

4 結語

某電廠2#鍋爐折焰角送檢樣管母材的化學成分、硬度符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG材質的要求，焊縫化學成分滿足《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲標準》對ER55-B2-MnV材質的要求，焊縫硬度滿足《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》對同種低合金鋼焊接接頭硬度要求。2#鍋爐折焰角送檢樣管對接焊口開裂的原因為：焊接過程中焊接坡口受到污染等因素，導致S等有害元素在焊縫中心部位聚集，使焊縫產生了結晶微裂紋。該電廠在啟停鍋爐及調負荷過程中，使管子受到較大的拉應力，在拉應力作用下，焊縫中微裂紋擴展，進而造成管子開裂，屬于偶發(fā)的焊接缺陷。

收稿日期：2020-07-29

作者簡介：張星（1987—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，從事金屬材料腐蝕與防護、檢測工作。