含噴涂層水冷壁焊縫泄露原因分析及預(yù)防措施

鄭俞國(guó)

摘要：本文以330MW機(jī)組里含噴涂層的水冷壁為研究對(duì)象，針對(duì)在水冷壁換管后水壓試驗(yàn)時(shí)管道泄露問(wèn)題，通過(guò)宏觀檢查、金相檢測(cè)和硬度試驗(yàn)等技術(shù)方法，分析噴涂材料對(duì)焊縫的影響，并提出焊口焊接前需打光譜，光譜合格后焊接好的焊口在經(jīng)射線(xiàn)檢測(cè)合格后采用磁粉做焊縫的探傷，確保焊縫無(wú)裂紋產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：水冷壁;焊縫裂紋;光譜分析;磁粉探傷

1 事件經(jīng)過(guò)

該電廠(chǎng)水冷壁材質(zhì)為SA-210C碳鋼，規(guī)格為Φ45×5.4mm，焊接性良好，水冷壁管內(nèi)壁設(shè)計(jì)有螺紋結(jié)構(gòu)。在水冷壁管爐膛內(nèi)面吹灰器區(qū)域附近存在耐磨噴涂層，目前廣泛應(yīng)用于鍋爐抗高溫磨蝕的電弧噴涂涂層的材料主要以 Ni-Cr 合金為基體，添加少量 Ti，Si，Mo，Al 等合金元素，采用超音速電弧噴涂技術(shù)，在水冷壁表面形成穩(wěn)定的鉻氧化物，以產(chǎn)生耐腐蝕、抗沖刷的效果。

該電廠(chǎng)于2019年4月進(jìn)行了#1機(jī)組D修，期間水冷壁防磨檢查，經(jīng)過(guò)壁厚測(cè)量，對(duì)壁厚小于要求的管排給予更換，換管后新焊口經(jīng)射線(xiàn)檢測(cè)，底片合格。在第一次水壓試驗(yàn)，壓力18.84Mp，發(fā)現(xiàn)后墻C層西數(shù)第2只吹灰器東數(shù)第129根管（#129）檢修焊口泄漏，打磨后著色探傷檢查發(fā)現(xiàn)有多條斜向裂紋，將裂紋打磨掉后進(jìn)行補(bǔ)焊。

第二次水壓試驗(yàn)，壓力18.84Mp，發(fā)現(xiàn)后墻D層第124根（#124）滲水，對(duì)第124根（#124）及同等標(biāo)高附近焊口焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)第126根（#126）和之前焊補(bǔ)的132根（#132）在焊縫正面有橫向裂紋磁痕顯示。對(duì)該三處管段進(jìn)行進(jìn)一步滲透檢測(cè)，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)在#124與#132管段的焊縫處均發(fā)現(xiàn)斜向裂紋，裂紋方向與焊縫波紋方向近似平行;#126樣焊縫裂紋痕跡顯示位于鰭片角焊縫附近。

2 焊接裂紋取樣試驗(yàn)

2.1 宏觀金相檢查

對(duì)出現(xiàn)裂紋的#1爐水冷壁管段進(jìn)行割管分析，對(duì)管樣焊縫處分別取樣，磨制、拋光、侵蝕后在體式顯微鏡下觀察低倍形貌。已挖補(bǔ)處理的#129樣兩處接頭形貌，未見(jiàn)氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷。

第二次水壓試驗(yàn)時(shí)泄漏的#124樣從焊縫縱截面制樣，向火面整半圈多處開(kāi)裂，裂紋在厚度方向上斷續(xù)分布。在隨后磁粉探傷發(fā)現(xiàn)裂紋的#126樣及#132樣，通過(guò)焊縫縱截面形貌可得出裂紋未穿透，均出現(xiàn)在蓋面層，且呈多條分散型分布，#126樣焊縫裂紋雖然位于鰭片角焊縫附近，但與鰭片角焊縫無(wú)關(guān)。

2.2 微觀金相分析

金相試樣在光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.3 硬度檢測(cè)

在制取的金相試樣上進(jìn)行小負(fù)荷布氏硬度檢測(cè)，母材硬度在150～170HB之間，焊縫硬度在170～200HB之間，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 SEM檢測(cè)與能譜分析

在#124管段的裂紋內(nèi)部夾雜顆粒進(jìn)行SEM+EDS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在裂紋內(nèi)部有大量圓狀?yuàn)A雜與不規(guī)則形狀?yuàn)A雜，對(duì)于這兩類(lèi)夾雜分別進(jìn)行EDS能譜分析，其中圓形夾雜成分主要為Mo，不規(guī)則形狀?yuàn)A雜主要成分為Si。

3 裂紋原因分析

3.1 焊接缺陷定性分析

#124、#126、#132管焊縫內(nèi)部均出現(xiàn)了大量夾渣及裂紋缺陷。裂紋按形態(tài)可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)裂紋開(kāi)口較寬，有的程斷續(xù)鋸齒狀，有的呈團(tuán)簇狀，兩端圓鈍，其內(nèi)部還有灰色氧化物或顆粒狀?yuàn)A雜，分析為夾渣引起的焊縫開(kāi)裂;第二類(lèi)裂紋為較細(xì)的沿晶裂紋，一般位于第一類(lèi)裂紋附近，分析為雜質(zhì)元素偏聚引起的熱裂紋。夾渣也可分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為灰色氧化物，應(yīng)為坡口內(nèi)外壁銹渣和氧化皮，例如#124樣焊縫根部位置的大量夾渣開(kāi)裂，為內(nèi)壁未清理干凈的氧化物進(jìn)入熔池引起的;第二類(lèi)為開(kāi)裂內(nèi)部的顆粒狀?yuàn)A雜，經(jīng)能譜分析主要成分為Si與Mo。

3.2 難熔化合物來(lái)源分析

水冷壁管段材質(zhì)為SA210C碳鋼，其焊接性良好，一般不易產(chǎn)生熱裂紋。對(duì)所用焊絲進(jìn)行成分分析，未發(fā)現(xiàn)異常;通過(guò)新?lián)Q管段的材質(zhì)分析可排除母材缺陷導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的可能。結(jié)合定性分析，水冷壁焊縫頻繁開(kāi)裂泄漏很可能與焊接前坡口附近清理不干凈焊接過(guò)程中有雜質(zhì)或難熔化合物。

從裂紋的宏觀形態(tài)來(lái)看，裂紋與焊波方向較為吻合，焊波為熔池推進(jìn)凝固的前沿，一些難熔化合物可能在該處聚集，從而引起渣狀開(kāi)裂。若在焊接前坡口未處理干凈，或是打磨工具污染坡口，將內(nèi)壁的氧化皮、外壁的噴涂層金屬帶入熔池，則會(huì)產(chǎn)生夾渣及焊接熱裂紋。此次發(fā)生開(kāi)裂及泄漏的焊口舊管一側(cè)向火面均有噴涂層，且發(fā)生開(kāi)裂也均在向火面，且熱裂紋中的主要非金屬元素Si，在排除焊絲以及管件中存在的可能性后，主要來(lái)源為噴涂層，因此噴涂層污染導(dǎo)致熱裂紋的可能性較高。

3.3 光譜法確認(rèn)坡口難熔元素

在返工階段現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水冷壁焊接前坡口用XL2-800便攜式手持光譜分析儀進(jìn)行光譜分析，分別采集噴涂層打磨干凈和噴涂層未打磨干凈處各一點(diǎn)作為樣本，光譜分析結(jié)果如表2所示。

在光譜分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)類(lèi)似表2中1號(hào)樣本情況的焊口占70%左右，在對(duì)坡口進(jìn)行徹底打磨，并增大管徑垂直方向的打磨寬度后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)類(lèi)似2號(hào)樣本的坡口數(shù)量占比約98%。說(shuō)明引起焊縫熱裂紋難熔化合物元素來(lái)自于坡口未打磨干凈的噴涂層。

4 焊接裂紋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

目前水冷壁管焊縫的檢測(cè)采用100%射線(xiàn)透照，在射線(xiàn)檢測(cè)合格后較少采用其他檢測(cè)手段。但由于射線(xiàn)檢測(cè)對(duì)于細(xì)小裂紋存在漏檢的情況，所以，在此次施工的返工階段，針對(duì)噴涂層區(qū)域的焊縫，在射線(xiàn)合格后增加了磁粉檢測(cè)工序，以便進(jìn)一步排除焊接裂紋缺陷。

4.1 射線(xiàn)檢測(cè)

在首次施工過(guò)程中，對(duì)焊縫檢驗(yàn)采用100%射線(xiàn)透照，每天新焊口在8-24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行同步射線(xiàn)檢測(cè)，檢驗(yàn)設(shè)備為2505射線(xiàn)機(jī)，評(píng)片標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013，底片等級(jí)為AB級(jí)，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的焊口進(jìn)行返修處理，直至底片合格。

4.2 磁粉檢測(cè)

焊接裂紋一般與表面相通，面對(duì)表面缺陷，磁粉檢測(cè)靈敏度度高、可靠且設(shè)備簡(jiǎn)單，可方便地在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷能夠及時(shí)排除和修補(bǔ)。在首次施工中，僅采取射線(xiàn)檢測(cè)，沒(méi)有判斷出焊縫裂紋。在噴涂層處焊口返工過(guò)程中，除了100%射線(xiàn)檢測(cè)外，為檢測(cè)焊縫熱裂紋并排除延遲裂紋的可能性，在射線(xiàn)合格后增加磁粉檢測(cè)工序，對(duì)所有新焊口焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行100%的磁粉檢測(cè)。返工后水壓試驗(yàn)一次合格。

5 焊接裂紋的預(yù)防措施

由裂紋原因分析可以看出，坡口處噴涂元素的殘留是此次焊接裂紋產(chǎn)生的主要原因。所以坡口的清理不但要將可見(jiàn)的雜質(zhì)剔除干凈，對(duì)于肉眼無(wú)法判別的殘余難熔噴涂元素必須采取光譜儀進(jìn)行確認(rèn)。光譜分析應(yīng)作為坡口清潔度判斷的必要工序。坡口需徹底打磨，并增大管徑垂直方向的打磨寬度，并使用光譜儀來(lái)確認(rèn)坡口是否回歸母材材質(zhì)，在確認(rèn)無(wú)噴涂元素后方可焊接。

結(jié)語(yǔ)：鍋爐水冷壁管焊接質(zhì)量的控制在于焊接過(guò)程中工序的控制及焊接后的檢測(cè)。針對(duì)有噴涂層區(qū)域水冷壁換管，為確保坡口無(wú)噴涂元素污染，需對(duì)坡口進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)回歸母材材質(zhì)后進(jìn)行焊接。焊接結(jié)束后，除了對(duì)焊口進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)，由于射線(xiàn)對(duì)裂紋檢測(cè)存在漏檢的情況，故還需對(duì)射線(xiàn)檢測(cè)合格的焊口進(jìn)行磁粉檢測(cè)，進(jìn)一步排除焊縫裂紋的可能，保證水冷壁能安全可靠的運(yùn)行。