水冷壁管環(huán)焊縫開(kāi)裂原因分析

鄭建軍，劉濤瑋，樊子銘，張濤

（內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 前言

作為火力發(fā)電機(jī)組重要的水循環(huán)系統(tǒng)，水冷壁通常由許多單排并聯(lián)起來(lái)垂直敷設(shè)在鍋爐爐膛四周的鋼管構(gòu)成，主要起到吸收爐膛中燃燒器產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣所輻射的熱量的作用[1]。目前，因“四管”失效所造成的安全生產(chǎn)故障占鍋爐總事故的70%左右[2?3]，而其中由水冷壁管失效引發(fā)的故障率更是達(dá)到了近40%[4?7]。范志東等人[6]對(duì)某超(超)臨界鍋爐水冷壁管泄漏事故可能性原因進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明H 形鰭片與水冷壁彎管的角焊縫質(zhì)量差，存在未焊透、氣孔、縮孔等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致角焊縫的強(qiáng)度降低、局部應(yīng)力集中、冷卻效果差，并在服役不久后引發(fā)了開(kāi)裂泄漏。張濤等人[8]研究了某350 MW超臨界直流鍋爐水冷壁對(duì)接接頭運(yùn)行40 000 h 后的開(kāi)裂行為，發(fā)現(xiàn)該水冷壁對(duì)接接頭的焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)、拘束度較大，從而導(dǎo)致焊縫內(nèi)形成了大量一次結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋在長(zhǎng)時(shí)間交變應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展至貫通焊縫進(jìn)而引發(fā)開(kāi)裂泄漏。王建國(guó)等人[9]的研究結(jié)果同樣表明某電廠水冷壁管的泄漏與焊接質(zhì)量有關(guān)。可見(jiàn)水冷壁管的失效，特別是因焊接質(zhì)量不合格而引發(fā)的開(kāi)裂泄露故障已成為嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和保障供電安全的因素。因此，研究鍋爐水冷壁管失效的原因以及采取相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)保證火電機(jī)組的安全運(yùn)行具有非常重要的指導(dǎo)意義。文中對(duì)某電廠水冷壁管環(huán)焊縫的開(kāi)裂原因及機(jī)理進(jìn)行研究分析，旨在為預(yù)防同類(lèi)型焊接缺陷提供借鑒，并為深度調(diào)峰燃煤機(jī)組的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供理論參考。

1 試驗(yàn)方法

某電廠2 號(hào)鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)、變壓直流、一次再熱、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐，型號(hào)為SG-2141/25.5，等級(jí)為660 MW。鍋爐的過(guò)熱蒸汽最大連續(xù)蒸發(fā)量(B-MCR)為2 141t/h，額定蒸發(fā)量(BRL)為2 076t/h，額定蒸汽壓力為25.5 MPa，額定蒸汽溫度為571 ℃；再熱蒸汽的蒸汽流量B-MCR/BRL 為1 772/1 712t/h，進(jìn)口/出口蒸汽壓力為4.50/4.31 MPa，進(jìn)口出口蒸汽溫度為327/569 ℃，給水溫度為288/286 ℃。發(fā)生泄露故障的水冷壁管規(guī)格為?38 mm×7.0 mm，材質(zhì)為15CrMoG。利用SPECZROMAXx型臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)水冷壁管及的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試分析；利用Axio Observer Alm 型金相顯微鏡觀察管材及焊縫的金相組織，腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液；利用THBC-3000DA 型布氏硬度計(jì)分別對(duì)水冷壁管母材、熱影響區(qū)及焊縫的硬度進(jìn)行測(cè)試；利用S-3700N型掃描電子顯微鏡(SEM)及Bruker-XFLash Detector 510 型能譜分析儀(EDS)對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行微區(qū)形貌觀察及化學(xué)成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

如圖1 所示，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)照片和宏觀形貌的觀察結(jié)果可以看出，裂紋位于鰭片與水冷壁管焊縫的根部，并與環(huán)焊縫重疊，長(zhǎng)度約為10 mm；漏點(diǎn)附近管壁存在一定銹蝕痕跡，此外未見(jiàn)明顯脹粗及減薄特征、機(jī)械損傷和磨損等痕跡，如圖1(a)～圖1(c)所示。將漏點(diǎn)附近的水冷壁管沿縱向剖開(kāi)取樣后可以觀察到，水冷壁管采用了對(duì)接焊接形式，而開(kāi)裂位置剛好為焊接接頭處，裂紋由水冷壁管外壁形成，并向內(nèi)壁擴(kuò)展；此外，在裂紋附近的焊縫內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了氣孔類(lèi)焊接缺陷，而水冷壁管內(nèi)壁也觀察到了因焊劑填充量過(guò)大而形成的咬邊缺陷，如圖1(d)所示。

圖1 水冷壁管各部位宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)與分析

對(duì)泄漏的水冷壁管取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出，水冷壁管材中各化學(xué)元素的含量均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》[10]對(duì)15CrMoG 鋼化學(xué)成分的要求。

表1 水冷壁管化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.3 顯微組織檢測(cè)與分析

將泄漏的水冷壁管自漏點(diǎn)處取樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，如圖2 所示。由圖2(a)中可以看出，裂紋啟裂于鰭片焊縫與水冷壁管環(huán)焊縫熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)（區(qū)域1），該區(qū)域主要由鐵素體+不完全相變組織組成，如圖2(b)所示；此外，還可以觀察到裂紋呈貫穿性沿水冷壁管環(huán)焊縫向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋尖端較圓頓，且在裂紋附近還觀察到了氣孔及線型夾渣等焊接缺陷，如圖2(c)所示。焊縫組織為針狀鐵素體+粒狀貝氏體，原奧氏體晶界清晰可見(jiàn)，貝氏體組織較粗大，且內(nèi)部分布著大量長(zhǎng)條狀或顆粒狀M/A 島，如圖2(d)所示。遠(yuǎn)離裂紋的母材基體組織為鐵素體+珠光體，珠光體區(qū)域明顯，局部區(qū)域的碳化物呈片層狀，部分區(qū)域的片層狀碳化物開(kāi)始分散，晶界有少量碳化物，球化級(jí)別為1.5 級(jí)，介于未球化與傾向性球化之間，如圖2(e)所示。

圖2 水冷壁管各部位金相組織

2.4 EDS 能譜檢測(cè)與分析

圖3 為夾渣EDS 能譜檢測(cè)結(jié)果。由圖3(a)中可以觀察到，夾渣主要呈不規(guī)則線型，內(nèi)部組織較疏松。通過(guò)圖3(b)及表2 可以看出夾渣的化學(xué)元素組成主要為C，O，Cr，F(xiàn)e。其中，F(xiàn)e 元素和O 元素的含量較高，表明夾渣主要為鐵的氧化物。

表2 焊縫夾渣化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.5 硬度測(cè)試與分析

沿水冷壁管爆口橫截面取樣進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示，從圖中可以看出，焊縫的硬度較高，而母材的硬度較低，且硬度值從焊縫組織到母材呈逐漸減小的變化趨勢(shì)。GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管中》[10]中規(guī)定15CrMoG 規(guī)定的母材硬度值應(yīng)為125～170 HBW，DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》[11]對(duì)同種鋼焊接接頭硬度的要求為不低于母材硬度的90%，不超過(guò)母材硬度加100 HBW，表明水冷壁管母材和焊接接頭的硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 水冷壁管爆口橫截面硬度測(cè)試示意圖

2.6 開(kāi)裂原因及機(jī)理分析

近年來(lái)，15CrMoG 因其優(yōu)良的熱強(qiáng)性、焊接性被廣泛用于制備超臨界鍋爐水冷壁管，但在實(shí)際使用過(guò)程中也逐漸暴露出一些因焊接工藝不合規(guī)或操作不當(dāng)而引發(fā)的焊接接頭失效故障[6,8?9,12]。文中的水冷壁管同樣開(kāi)裂于焊縫位置，且該位置幾何結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，屬于拐角部位的鰭片焊縫根部，既包含水冷壁管環(huán)接焊縫，又包含水冷壁管與鰭片的連接焊縫，存在焊縫重疊交叉的特征，因此受焊接殘余應(yīng)力和彎曲殘余應(yīng)力作用的影響較大。

由金相組織的觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，裂紋啟裂于鰭片與水冷壁管環(huán)焊縫熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)，即水冷壁管外壁，該區(qū)域的金相組織主要為鐵素體+碳化物，屬于不完全相變組織，力學(xué)性能較差。需要說(shuō)明的是，如果不存在鰭片縱焊縫與水冷壁管環(huán)焊縫交叉的連接結(jié)構(gòu)，那么啟裂部位應(yīng)與環(huán)焊縫一樣，基體組織均為針狀鐵素體+粒狀貝氏體；而鰭片與水冷壁管環(huán)焊縫間的重疊焊接，相當(dāng)于對(duì)水冷壁管環(huán)焊縫表面進(jìn)行了一次非正常熱處理，從而導(dǎo)致環(huán)焊縫的表層組織發(fā)生了介于Ac1～Ac3之間的不完全相變，也使其與環(huán)焊縫組織形成了較大的硬度差，力學(xué)性能發(fā)生了顯著劣化，該因素為導(dǎo)致水冷壁管開(kāi)裂的主要原因。此外，在裂紋附近的環(huán)焊縫組織中觀察到了較多的氣孔及線型夾渣等焊接缺陷，氣孔的形成可能與焊件表面和坡口存在油、銹、水分等污染物或焊接電流太小、焊接速度過(guò)快有關(guān)，而夾渣的形成同樣與焊接過(guò)程清渣不凈、焊接電流太小、焊接速度過(guò)快有關(guān)，表明水冷壁管在對(duì)接焊接過(guò)程中存在工藝不合格或操作不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，此為導(dǎo)致水冷壁管開(kāi)裂的次要原因。

水冷壁管在運(yùn)行過(guò)程中，裂紋逐漸于鰭片縱焊縫與對(duì)接環(huán)焊縫交叉的薄弱處形成（圖5），并在機(jī)組啟停或熱負(fù)荷變化較大時(shí)產(chǎn)生的交變應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力和彎曲殘余應(yīng)力的共同作用下不斷向內(nèi)壁延伸，而夾渣和氣孔的存在又進(jìn)一步加速了裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致裂紋貫穿水冷壁管環(huán)焊縫并引發(fā)泄露。

圖5 水冷壁管啟裂位置示意圖

3 結(jié)論

（1）水冷壁管啟裂于對(duì)接環(huán)焊縫與鰭片縱焊縫的交叉處，該部位的焊接殘余應(yīng)力及彎曲約束力程度較高，且基體為不完全相變組織，力學(xué)性能較差。

（2）環(huán)焊縫的基體組織中存在因焊接工藝不合格或操作不當(dāng)產(chǎn)生的夾渣和氣孔等焊接缺陷，既降低了環(huán)焊縫的硬度，又進(jìn)一步加速了裂紋的擴(kuò)展。

（3）在機(jī)組啟停或熱負(fù)荷變化較大時(shí)產(chǎn)生的交變應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力及彎曲約束力的共同作用下，裂紋不斷貫穿對(duì)接環(huán)焊縫并向鋼管內(nèi)壁延伸，最終導(dǎo)致水冷壁管開(kāi)裂泄漏。

（4）建議首先在進(jìn)行水冷壁管的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)焊縫交叉重疊的現(xiàn)象；其次，加強(qiáng)對(duì)焊接質(zhì)量的把控，并在焊接完成后及時(shí)進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)。