鍋筒內壁裂紋原因分析

■ 張杰，吳繼權

1. 概述

2017年4月，在某廠鍋爐內部檢查時，在鍋筒環焊縫處發現多條焊縫裂紋。該鍋筒有7條環焊縫，兩邊靠近封頭位置的兩條環焊縫為焊條電弧焊焊縫，其余的中間5條環焊縫為埋弧焊焊縫。埋弧焊焊縫由三條焊道組成，每條焊道寬約20mm。經熒光磁粉檢測，發現裂紋均存在于埋弧焊的焊縫上，共計20條不等（部分裂紋見圖1）；裂紋走向不一，其中以縱向居多（平行于環焊縫）；裂紋分布區域有焊道表面、熔合線；裂紋長度為10~70mm，深度為1~14mm。

受檢鍋筒于2007年投入使用，規格為1900mm×105/50mm×1 5 2 1 8 m m；標稱材質為SA516Gr70；支座型式為鞍式；工作壓力為10.22MPa（高壓）、3.48 MPa（中壓）、0.37 MPa（低壓）；工作溫度為540℃（高壓）、276.2 ℃（中壓）、248℃（低壓）；最大蒸發量為276.7t/h（高壓）、41.7t/h（中壓）、48.5t/h（低壓）。運行到目前為止，該鍋爐累計啟停1000余次。

為找出焊縫裂紋的形成原因，同時避免因取樣對鍋筒造成無法修復的損傷，故在焊縫余高處取小片樣品，并在取樣后將焊縫磨平。最后將小片試樣帶回試驗室進行理化檢測及分析。

2. 理化檢測

利用外力將樣品分成4段，分別記為1#~4#，其中1#~3#作為截面分析樣品，4#作為金相分析樣品。

（1）金相分析 4#試樣進行鑲嵌、打磨、拋光后置于顯微鏡下進行觀察，焊縫內部夾雜情況無異常。

將拋光態的焊縫試樣經4%的硝酸酒精溶液浸蝕后置于金相顯微鏡下進行觀察，金相組織如圖2所示。由圖2可見：焊縫金相組織為塊狀鐵素體+板條狀馬氏體+粒狀貝氏體，組織分布不均。

（2）硬度測試 將金相試樣經打磨、拋光后，進行顯微維氏硬度試驗，試驗貫穿試樣整個表面，試驗結果如附表所示，硬度值在261~481HV之間，硬度分布不均。

圖1 裂紋形貌

（3）截面分析 將試樣1#~3#分別置于掃描電子顯微鏡中進行觀察。結果發現：焊縫截面微觀形貌均為等軸韌窩形貌（見圖3），韌窩內部存在球狀顆粒。對球狀顆粒進行能譜分析，通過能譜分析可知，球狀顆粒應為含有Mg、Al元素的氧化物及含有Fe、Mn元素的硫化物。對基體進行能譜分析，由能譜分析可知焊縫中含有Ni、Mn、Al、Mg等合金元素。

3. 綜合分析

通過了解鍋筒使用工況可知，鍋筒在運行過程中承受多種載荷。其中主要有：①機械應力，包括正常運行條件下的穩定壓力、啟停過程中的壓力升降。②熱應力，包括在正常運行條件下由部件壁溫差產生的穩定熱應力，在變化工況下由部件壁溫的變動溫差引起的定期變化的熱應力，以及在部件的個別部位由壁溫波動引起的頻率較大的交變熱應力。

圖2 金相組織（1000×）

對鍋筒內壁側環焊縫裂紋檢查可知，裂紋均存在于埋弧焊的焊縫上。通常埋弧焊的焊接效率高于焊條電弧焊（埋弧焊接過程中焊道的冷卻速度高于焊條電弧焊），從而說明焊接過程中的冷卻速度影響焊縫質量。從裂紋走向、裂紋分布情況、裂紋尺寸三個方面可以看出，裂紋的形成是不具有規律性的，并且裂紋均在焊縫表層形成。

通過焊縫截面分析可知：焊縫截面為韌窩形貌，韌窩內有氧化物及硫化物顆粒存在，這些均屬正常現象，同時截面上大量的韌窩形貌表明焊縫材料韌性較好。結合焊縫顯微鏡下拋光態形貌同樣可知，焊縫內部夾雜情況無異常。

為保證焊接性能，通常鍋筒用鍋爐鋼為低碳鋼或低合金鋼，這類鋼的組織為鐵素體加珠光體或者索氏體組織。但由焊縫的金相組織可知，組織中含有塊狀鐵素體、板條狀馬氏體、粒狀貝氏體，并且分布不均勻。馬氏體組織的存在，對引起焊縫裂紋較為敏感，而貝氏體的存在，則會提高對裂紋的敏感性；材料中組織種類越多，分布不均勻，則形成的組織應力就越大。由于埋弧焊焊接過程中焊道的冷卻速度高于焊條電弧焊，焊縫上表層焊道冷卻速度高于底層冷卻速度，所以馬氏體相變容易在埋弧焊焊道表面形成。經過顯微硬度測試，焊縫硬度為261~481HV0.05，波動較大（見附表），表明組織中硬度分布不均；400HV0.05以上的顯微硬度印證組織中淬硬組織的存在。

綜合以上分析可知：焊縫裂紋的形成主要與焊縫組織中的淬硬組織有關；焊縫組織中存在馬氏體、貝氏體、鐵素體等多種組織，產生較大組織應力，在后續機械應力、熱應力的疊加作用下，焊縫發生延遲開裂。

4. 結語

焊縫作為鍋筒中的一部分，其質量至關重要。在此，為了預防鍋筒焊縫再次出現裂紋，鍋筒焊縫在修補之后需對修補區域進行熱處理，以減少組織應力。

[1] 張棟，等. 失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004：94-98.

圖3 焊縫截面微觀形貌