圖 1 開裂換熱管的宏觀形貌
分享：鍋爐換熱管開裂原因
某單位在對(duì)鍋爐換熱管進(jìn)行裝配過程中,發(fā)現(xiàn)前水冷管組上部靠近彎管區(qū)域的管子和扁鋼角焊縫處發(fā)生開裂現(xiàn)象。現(xiàn)場(chǎng)取回1件缺陷樣管,換熱管的材料為SA-210M GrC鋼。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法分析了該換熱管開裂的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
開裂換熱管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋位于管板焊接接頭的焊縫位置,裂紋長(zhǎng)度為28 mm。
沿垂直裂紋將兩側(cè)切開,對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋已沿鋼管厚度貫穿,對(duì)斷口進(jìn)行清洗后,發(fā)現(xiàn)斷裂面呈放射狀,放射線逆指向于角焊縫根部,裂紋起源于焊縫位置。
圖 2 斷口處宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
在開裂換熱管上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂換熱管的化學(xué)成分符合ASME SA-210M—2019 《鍋爐和過熱器用無(wú)縫中碳鋼管》的要求。
Table 1. 開裂換熱管的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | P | S | |
| 實(shí)測(cè)值 | 0.22 | 0.91 | 0.20 | 0.008 7 | 0.002 1 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≤0.35 | 0.29~1.06 | ≥0.10 | ≤0.035 | ≤0.035 |
1.3 金相檢驗(yàn)
采用體視顯微鏡對(duì)焊接接頭的低倍組織進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：兩側(cè)角焊縫根部均存在未焊透現(xiàn)象,2號(hào)焊縫根部未焊透現(xiàn)象尤為明顯。
圖 3 焊接接頭的低倍組織形貌
在焊接接頭上取金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：角焊縫兩側(cè)均存在未焊透和未熔合現(xiàn)象,2號(hào)焊縫有明顯的焊接缺陷；1號(hào)焊縫的焊趾處發(fā)現(xiàn)焊瘤；2號(hào)焊縫的焊趾處存在一條微裂紋,該裂紋位于焊接接頭熱影響區(qū),焊縫處有一條長(zhǎng)度約為350 μm的裂紋,裂紋起源于管子外表面,并向內(nèi)表面擴(kuò)展；焊縫過熱區(qū)組織為馬氏體；母材組織為鐵素體+珠光體,母材組織正常。
圖 4 焊接接頭的微觀形貌
采用GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)管子的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí),結(jié)果如表2所示,夾雜物含量較少。
Table 2. 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果
| 項(xiàng)目 | A類 | B類 | C類 | D類 | DS類 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | 細(xì)系 | 粗系 | ||
| 實(shí)測(cè)值 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 |
1.4 硬度測(cè)試
按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》,采用維氏硬度計(jì)對(duì)開裂換熱管焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)、母材進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表3所示。由表3可知：焊接接頭熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于母材的硬度。
Table 3. 開裂換熱管的維氏硬度測(cè)試結(jié)果
| 測(cè)試位置 | 實(shí)測(cè)值 | 平均值 |
|---|---|---|
| 焊縫 | 274,267,269 | 270 |
| 熱影響區(qū) | 453,463,454 | 457 |
| 母材 | 166,170,167 | 168 |
1.5 掃描電鏡（SEM）分析
采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)換熱管斷口進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：焊縫存在未熔合缺陷,裂紋源區(qū)呈解理斷裂特征。
圖 5 換熱管斷口處SEM形貌
2. 綜合分析
綜合上述分析結(jié)果可知,換熱管的開裂與焊接缺陷有關(guān),換熱管兩側(cè)焊縫均存在未焊透和未熔合現(xiàn)象,且熱影響區(qū)的硬度遠(yuǎn)高于母材的硬度。在裝配應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力及焊接缺陷的綜合作用下,裂紋優(yōu)先在馬氏體等高組織應(yīng)力的區(qū)域產(chǎn)生,并不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生開裂[1]。
經(jīng)過調(diào)查,焊接時(shí)焊縫位置及近焊縫區(qū)域的加熱溫度可達(dá)1 350 ℃,使近焊縫區(qū)的奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大；換熱管進(jìn)行對(duì)接時(shí)為冬季,室溫約為5 ℃,且施焊位置處于風(fēng)口區(qū)域,溫度較低,換熱管焊接處屬于較小的焊接熔池,冷卻速率較快,使粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體[2]。在焊接時(shí),焊槍未充分?jǐn)[動(dòng),焊接位置存在死角,導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)未焊透、未熔合等焊接缺陷。研究表明,焊接時(shí)鋼的淬硬傾向越大,越易產(chǎn)生裂紋,而換熱管焊縫區(qū)域的馬氏體和焊接缺陷使材料的脆性變大,導(dǎo)致材料產(chǎn)生裂紋。
3. 結(jié)論與建議
開裂換熱管的焊接工藝不當(dāng),導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋等焊接缺陷,在裝配過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中,且焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)淬硬的馬氏體,增大了材料的裂紋敏感性,隨著裝配應(yīng)力的增大,最終導(dǎo)致?lián)Q熱管發(fā)生開裂。
建議完善焊接工藝,充分?jǐn)[動(dòng)焊槍,確保焊縫熔合良好,消除未焊透、未熔合、裂紋等焊接缺陷。確保焊縫組織均勻,盡量避免在低溫天氣或有氣流的區(qū)域施焊,焊后對(duì)焊縫位置加蓋,防止焊縫驟冷,避免出現(xiàn)馬氏體等裂紋敏感性較大的淬硬組織,整體或局部消除焊接殘余應(yīng)力。
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