鍋爐省煤器吊掛管焊縫開裂泄漏原因分析

胡美些，張艷飛

（1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

省煤器由一系列并聯(lián)的蛇形管組成，是在鍋爐尾部煙道中加熱鍋爐給水的受熱面，從鍋爐尾部煙道來的煙氣進(jìn)入省煤器自上而下流動(dòng)，鍋爐給水通過吊掛的蛇形管自下而上流動(dòng)時(shí)，便實(shí)現(xiàn)了煙氣余熱加熱鍋爐給水，完成了熱量的自動(dòng)交換，既節(jié)省燃料，又可降低排煙溫度，是鍋爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重要部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在161 臺(tái)受統(tǒng)計(jì)的低溫省煤器樣本中，發(fā)生泄漏事故的就有68 臺(tái)，泄漏占比高達(dá)42.2%[1]。某電廠1#鍋爐2020 年5 月21 日在檢修后進(jìn)行的水壓試驗(yàn)過程中，低溫再熱器管排3 層前側(cè)右數(shù)第1 根省煤器吊掛管對(duì)接焊縫處發(fā)生開裂泄漏。該1#鍋爐為東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為DG-670/13.7-20 型，超高壓參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)燃煤鍋爐，采用п 形布置、單爐膛、燃燒器四角布置，切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、采用容克式二分倉回轉(zhuǎn)式預(yù)熱器、鋼構(gòu)架（雙排柱），設(shè)計(jì)為帶基本負(fù)荷并可調(diào)峰的運(yùn)行方式，該機(jī)組于2005 年6 月5 日投產(chǎn)運(yùn)行。省煤器吊掛管規(guī)格為442 mm×5.0 mm，材料為20G。20G 是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，屬于鍋爐常用鋼，具有較好的彎曲、沖擊和抗拉性能，廣泛用于制造高壓或高參數(shù)的鍋爐受熱面管子，如低溫段的過熱器、屏式過熱器的前屏、省煤器及水冷壁等。這種材料在焊接過程中，會(huì)由于焊接溫度高引起晶粒粗大，在熱影響區(qū)易形成魏氏組織[2-3]。母材中的珠光體在服役溫度下會(huì)有自發(fā)的球化過程，溫度越高、應(yīng)力越大，碳原子擴(kuò)散得越快，珠光體球化現(xiàn)象越嚴(yán)重，力學(xué)性能呈波動(dòng)性下降[4]。為找出1#鍋爐省煤器吊掛管泄漏原因，保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，對(duì)泄漏的省煤器吊掛管進(jìn)行綜合性失效原因分析。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 宏觀形貌觀察與分析

對(duì)泄漏的省煤器吊掛管進(jìn)行宏觀形貌檢查，鋼管無明顯機(jī)械損傷和腐蝕痕跡，管徑無明顯脹粗，未見明顯減?。▓D1）。對(duì)鋼管外壁進(jìn)行滲透檢測(cè)，鋼管對(duì)接焊縫中間存在2 條縱向裂紋缺陷，主裂紋走向沿鋼管周向擴(kuò)展，裂紋細(xì)小，長度約為20 mm，主裂紋擴(kuò)展路徑上還有細(xì)微分叉發(fā)紋。自裂紋處沿鋼管軸向?qū)⒐芷书_，可見其中1 條裂紋已貫穿管壁。此外，在焊縫附近管子外壁可以觀察到明顯的附著層。

圖1 開裂的省煤器吊掛管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分檢測(cè)與分析

對(duì)泄漏的省煤器吊掛管未開裂處取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，鋼管的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，不存在材料錯(cuò)用現(xiàn)象（表1）。

表1 省煤器吊掛管20G 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果%

1.3 顯微組織檢測(cè)與分析

對(duì)開裂泄漏的省煤器吊掛管焊縫、母材、熱影響區(qū)、噴涂層等部位取樣進(jìn)行顯微組織檢測(cè)。如圖2 所示，主裂紋位于焊縫內(nèi)部，已貫穿管壁，主裂紋附近存在多條枝杈狀裂紋缺陷，裂紋均沿焊縫一次結(jié)晶晶界分布。焊縫組織為大量的枝晶狀鐵素體和少量的索氏體（細(xì)珠光體），由于焊接冷卻速度較快，結(jié)晶后的成分來不及通過擴(kuò)散趨于一致，先結(jié)晶的鐵素體含碳及其他合金元素及雜質(zhì)元素較少，后結(jié)晶的索氏體除鐵之外的其他元素較多，導(dǎo)致枝晶主干與側(cè)枝及晶間存在不同程度的成分偏析，是引起裂紋的原因之一。熱影響區(qū)熔合線附近存在粗大的針葉狀魏氏組織，這種組織力學(xué)性能較差，特別是沖擊韌性很低，焊縫中較少出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在低碳鋼和低合金鋼熱影響區(qū)的過熱區(qū)內(nèi)[5]。鋼管母材組織為多邊形的鐵素體基體和分布于晶界上的呈帶狀和球狀的珠光體，珠光體球化等級(jí)2 級(jí)。開裂處附近鋼管外壁存在附著層，厚度為259 μm。

圖2 泄漏的省煤器吊掛管微觀組織

1.4 附著層能譜分析

對(duì)省煤器吊掛管外壁附著層及焊縫區(qū)裂紋進(jìn)行能譜分析（EDS）。結(jié)果顯示，附著層內(nèi)O 元素、C 元素的含量異常高，可以推測(cè)，表層附著層應(yīng)為高碳的噴涂材料。焊縫區(qū)裂紋內(nèi)有C、S、Si 元素聚集，如圖3 所示。

圖3 省煤器吊掛管外壁附著層及焊縫區(qū)裂紋EDS 譜圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由金相組織分析可知，雖然鋼管母材及焊縫組織未見明顯異常，但是緊靠熔合線的熱影響區(qū)存在粗大魏氏組織。由于焊接過程中冷卻速度較快，魏氏組織很容易出現(xiàn)于熔合區(qū)和熱影響區(qū)，盡管魏氏組織屬于硬而脆的不良組織[6]，但是本次斷裂件的魏氏組織出現(xiàn)在緊靠熔合線的熱影響區(qū)，裂紋出現(xiàn)在焊縫區(qū)，并沒有在該區(qū)域出現(xiàn)裂紋和斷裂。因?yàn)楸敬武摴芡獗诖嬖陬愃茋娡课锏母街鴮?，可見粗大的魏氏組織不是本次斷裂事故的主要原因。

從宏觀形貌分析，省煤器吊掛管鋼管外壁可見明顯附著層。由外壁附著層能譜結(jié)果分析可知，外壁附著層中的碳、氧元素含量高，根據(jù)電廠反饋情況，確定鋼管外壁附著層應(yīng)為防磨噴涂材料，這是鍋爐生產(chǎn)廠家為了保護(hù)受熱面，減緩煙氣沖刷導(dǎo)致的鋼管壁厚減薄，而采取的一項(xiàng)技術(shù)措施[7]。受熱面管焊接安裝時(shí)，若坡口附近的高碳防磨噴涂材料未打磨干凈，在焊接時(shí)會(huì)熔融進(jìn)入焊縫金屬內(nèi)部，改變焊縫的化學(xué)成分，直接導(dǎo)致熔融金屬含碳量升高。當(dāng)碳含量較高時(shí)，熔融的焊縫金屬在冷卻結(jié)晶過程中，擴(kuò)散能力較差的S、P 等雜質(zhì)元素會(huì)在晶界偏聚并與金屬形成低熔點(diǎn)的相或共晶體，焊縫區(qū)金相組織和焊縫區(qū)裂紋內(nèi)碳、硫含量的能譜測(cè)試結(jié)果也表明了這一點(diǎn)。焊縫凝固后期，在冷卻收縮引起的拉應(yīng)力作用下，這種遠(yuǎn)比晶粒脆弱的液態(tài)薄膜承受不了拉伸應(yīng)力，在晶界處分離形成細(xì)微的結(jié)晶裂紋，這一點(diǎn)可由金相組織分析中裂紋均沿晶界分布來驗(yàn)證。省煤器吊掛管在工作過程中既要承擔(dān)省煤器、過熱器及集管的全部重量，又要承受鍋爐給水的壓力[8]。在省煤器吊掛管承受的合力作用下，已經(jīng)存在于焊縫中的結(jié)晶裂紋就會(huì)沿著裂紋尖端擴(kuò)展變長變寬變深，直至穿透壁厚，造成泄漏。

3 結(jié)論及改進(jìn)措施

3.1 結(jié)論

本次1#鍋爐省煤器吊掛管焊縫開裂泄漏的主要原因?yàn)殇摴芡獗诟咛挤滥娡坎牧衔创蚰ジ蓛?，在焊接時(shí)熔融進(jìn)入焊縫金屬內(nèi)部，導(dǎo)致熔融金屬含碳量異常增高，S、P 元素在晶界偏聚，與金屬形成低熔點(diǎn)共晶體并呈液膜狀態(tài)散布在晶粒表面。在凝固冷卻收縮引起的拉應(yīng)力作用下形成細(xì)微結(jié)晶裂紋。微裂紋在內(nèi)部高壓介質(zhì)膨脹應(yīng)力等作用下不斷擴(kuò)展，穿透壁厚導(dǎo)致最終泄漏。

3.2 改進(jìn)措施

（1）應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)排查同類型受熱面管焊縫，必要時(shí)進(jìn)行無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)進(jìn)行消缺處理。

（2）焊接前應(yīng)將坡口附近管子外壁的防磨噴涂層材料徹底打磨干凈，防止同類開裂泄漏失效再次發(fā)生。