摘 要:采用滲透檢測、金相檢驗、斷口分析和力學性能測試等方法對鍋爐給水預(yù)熱器管箱高溫 段環(huán)焊縫開裂原因進行分析。結(jié)果表明:焊后熱處理不符合要求,使環(huán)焊縫及熱影響區(qū)形成馬氏 體;設(shè)備在服役過程中,馬氏體分解產(chǎn)生析出相,使晶界蠕變能力降低,在高溫運行環(huán)境下,環(huán)焊縫 產(chǎn)生再熱裂紋并發(fā)生沿晶開裂。

關(guān)鍵詞:鍋爐給水預(yù)熱器;再熱裂紋;環(huán)焊縫;熱處理

中圖分類號:TG115.5;TQ051.5 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)02-0036-03

高壓鍋爐給水預(yù)熱器屬于三類壓力容器[1]。某 公司鍋爐給水預(yù)熱器投入使用4個月后,其管箱發(fā) 生泄漏。經(jīng)檢查,確定泄漏點位于管箱高溫段環(huán)焊 縫處,裂紋垂直于焊縫。筆者采用一系列理化檢驗 方法分析其開裂原因,并提出了改進建議。

1 理化檢驗

1.1 滲透檢測

截取高溫段環(huán)焊縫為試樣,依據(jù)NB/T47013.5— 2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分 滲透檢測》標 準,對試樣焊縫外表面裂紋區(qū)進行滲透檢測,結(jié)果如 圖1所示,其中4條裂紋未擴展至管箱母材,其余裂 紋尖端均延伸至管箱母材,裂紋無分叉。

1.2 金相檢驗

沿垂直于焊縫的縱截面截取試樣,拋光后采用 體積分數(shù)為4%的硝酸乙醇溶液對其進行腐蝕,采 用光學顯微鏡對其進行觀察,結(jié)果如圖2~3所示。 由圖2~3可知:管箱母材顯微組織為貝氏體,熱影 響區(qū)顯微組織為馬氏體+貝氏體+鐵素體,焊縫顯 微組織為馬氏體+鐵素體+貝氏體,馬氏體為主要 組織,部分晶界存在析出相,主裂紋上有樹枝狀小裂 紋,為沿晶裂紋,焊縫區(qū)存在孤島、臺階狀的裂紋。 初步判斷,馬氏體的形成與焊后熱處理不符合要求 有關(guān)。

1.3 力學性能測試

截取高溫段環(huán)焊縫制作力學性能測試試樣,分 別采用拉伸試驗機、沖擊試驗機和維氏硬度計對試 樣的拉伸、沖擊性能和硬度進行測試,結(jié)果如表1所 示。由表1可知:焊縫的斷后伸長率、沖擊吸收能量 不滿足標準對CM-A106N鋼的要求;焊縫、熱影響區(qū)的硬度偏高,管箱母材的硬度正常。說明設(shè)備在 高溫服役過程中,金屬基體內(nèi)的雜質(zhì)元素逐漸析出, 偏聚于晶界,使焊縫材料的塑性變形能力和沖擊韌 性降低[2]。

1.4 斷口分析

采用掃描電鏡(SEM)對環(huán)焊縫斷面進行觀察, 結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:斷面以沿晶開裂特 征為主,存在二次裂紋,局部存在韌窩;A 區(qū)為焊縫 組織柱狀沿晶開裂顆粒,B區(qū)為沿晶開裂特征,焊縫 內(nèi)存在顆粒狀原始缺陷。從SEM 分析可知,裂紋 啟裂于焊縫外表面,晶面存在較多顆粒狀析出相。 根據(jù)此現(xiàn)象可斷定焊縫晶界的塑性變形能力較低。

2 綜合分析

(1)上述分析結(jié)果表明:管箱焊縫處材料硬度 偏高,這是因為存在馬氏體組織。對于鉻鉬鋼厚壁 容器的焊接,若未進行焊前預(yù)熱或預(yù)熱溫度不夠,焊 接過程中冷卻速率較快,當達到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時, 易產(chǎn)生馬氏體組織[3]。設(shè)備在高溫服役時,馬氏體 進行回火分解,在晶界上產(chǎn)生析出相,使晶界的蠕變 強度降低,在高溫過程中易出現(xiàn)沿晶裂紋。

(2)焊縫裂紋僅出現(xiàn)在高溫段,說明裂紋的出現(xiàn)與其使用環(huán)境有關(guān)。該預(yù)熱器管箱材料為 SA387Gr22CL2、管板材料為SA336F22CL3Ⅳ,屬于低 合金高強度鋼,所選焊材CM-A106N鋼的化學成分 與母材一致。當設(shè)備長期處于高溫環(huán)境時,焊縫中 的雜質(zhì)元素會逐步向原奧氏體晶界富集,大大降低 晶界的塑性變形能力[4],沉淀相在晶界的析出也為 裂紋的萌生提供了條件[5],裂紋起始于焊縫和熱影 響區(qū)的粗晶區(qū)域,終止于熱影響區(qū)和母材細晶區(qū)[6], 符合厚板焊縫結(jié)構(gòu)再熱裂紋的開裂特征。

3 結(jié)論及建議

(1)由于焊后熱處理不符合要求,在焊縫區(qū)形 成了馬氏體,且晶間存在較多顆粒狀的析出相,導致 晶界的蠕變強度下降,塑性變形能力降低,設(shè)備在高 溫服役時形成了沿晶開裂的再熱裂紋,以及長期高 溫環(huán)境下產(chǎn)生的熱應(yīng)力促進了裂紋的擴展,導致管 箱環(huán)焊縫開裂。

(2)建議選擇純凈度高的材料,避免雜質(zhì)元素 在晶界處富集;改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品自身的剛 性;改進焊接工藝,控制預(yù)熱及后熱溫度、熱處理工 藝;使用過程中避免超溫、超壓運行。

參考文獻:

[1] 袁文君.高壓鍋爐給水預(yù)熱器管箱筒體裂紋修復(fù)[J]. 設(shè)備管理與維修,2016(5):29-30.

[2] 金永祥.10CrMo910耐熱鋼管超期服役的壽命估算 [J].理化檢驗(物理分冊),1993,29(2):38-40.

[3] 劉宗昌,計云萍.馬氏體組織形貌形成機理[J].熱處 理技術(shù)與裝備,2019,40(4):1-7.

[4] 張益銘,韓軍,張樂.某油田鍋爐給水預(yù)熱器開裂失效 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2019,55(2):116-119.

[5] 甘美露,張強,王書強,等.42CrMo鋼蝸桿開裂原因 分析[J].理化檢驗(物理分冊),2020,56(2):39-43.

[6] 羅純東.奧氏體不銹鋼爐體應(yīng)力腐蝕破裂失效分析 [J].石油化工設(shè)備,2007,36(1):99-100.

<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:36-38)>