摘 要:某６６０MW 高壓加熱器的筒體接管角焊縫在焊接過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂并擴(kuò)展至筒體母材.對(duì)其進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡及能譜分析,以分析開(kāi)裂原因.結(jié)果表明:接管與筒體角焊縫根部成形不良,存在夾渣氣孔等焊接缺陷;在焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋從此處萌生并擴(kuò)展開(kāi)裂.采用了與筒體返修開(kāi)口尺寸匹配的整體鍛件返修方案,強(qiáng)度計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求,并一次返修合格。
關(guān)鍵詞:高壓加熱器;接管;角焊縫;裂紋;缺陷;返修
中圖分類號(hào):TG４０１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５１９Ｇ０５
ReasonAnalysisonCrackingoftheFilletWeldingSeamofthe６６０MWHighPressureHeaterNozzleRENXiaohu,CHENMing,XIEXiaoyuan,PENGFangfang,XIAODongping
(DongfangBoilerGroupCo．,Ltd．,DongfangElectricCorporation,Deyang６１８０００,China)
Abstract:Thefilletweldingseamofthe６６０MWhighpressureheaternozzlecrackedandthecracksextendedtothebase materialofthecylinderintheprocessofwelding．Theweldseamwasexaminedbymacrographicexamination,hardnesstesting,metallographicexamination,scanningelectronmicroscopeandenergyspectrumanalysistoanalyzethecrackingreasons．Theresultsshowthat:theformationwasbadatthefilletweldrootofthenozzleandcylinder,andtherewereweldingdefectssuchasslag,porosityandsoon;undertheactionofweldingstressandstructuralrestraintstress,stressconcentrationgeneratedonthepositionofweldingdefects,whichledtocrackinitiationandpropagation．Theintegralforgingschemewhichmatchedwiththerepairinggapofthecylinder
wasadopted,andtheforgingstrengthcalculationcouldmeetthedesignrequirementsandtherepairhadbeensuccessfullydoneatthefirsttry．
Keywords:highpressureheater;nozzle;filletweldingseam;crack;defect;repair
高壓加熱器是利用來(lái)自汽輪機(jī)的抽汽加熱鍋爐給水,使給水達(dá)到所要求的溫度,從而提高電廠的熱效率和保證機(jī)組出力,同時(shí)確保機(jī)組高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[１].
某６６０ MW 高壓加熱器在焊接筒體接管角焊縫過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)接管邊上筒體母材有貫穿性裂紋.
從筒體內(nèi)部看到的裂紋形貌如圖１a)所示,兩條裂紋分別編 號(hào) 為 １ 號(hào) 和 ２ 號(hào),１ 號(hào) 裂 紋 內(nèi) 壁 長(zhǎng) 度 約１００mm,２號(hào)裂紋內(nèi)壁長(zhǎng)度約１７０ mm.筒體母材材料為SAＧ５１６Gr７０鋼板,壁厚為１２０ mm,接管材料為 １６MnII鋼 鍛 件,規(guī) 格 為 外 徑 １６５ mm、內(nèi) 徑４５mm.筒體和接管的坡口形式見(jiàn)圖１b),坡口采用氣割開(kāi)孔,并采用砂輪打磨坡口使其呈現(xiàn)金屬光澤.接管焊接采用手工焊,焊條材料為 CHE５０７R(標(biāo) 準(zhǔn) 牌 號(hào) NB/T ４７０１８ E５０１５),焊 條 在 ３５０~４００ ℃下烘干１~１．５h,焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表１,焊后立即進(jìn)行焊后熱處理(２００~２５０ ℃,２~３h),筒體母材、接管、焊條均經(jīng)入廠驗(yàn)收合格.
為了查明筒體裂紋產(chǎn)生的原因,確保后續(xù)返修成功,避免再次出現(xiàn)同類問(wèn)題,筆者對(duì)筒體裂紋區(qū)域取樣進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 宏觀檢驗(yàn)
選取１號(hào)裂紋作為研究對(duì)象,分析裂紋的產(chǎn)生原因.取下的裂紋試樣內(nèi)壁形貌如圖２所示,試樣包含接管、角焊縫和筒體,以及起始于角焊縫并終止于筒體母材的裂紋.
圖２ １號(hào)裂紋試樣形貌
Fig.２ MorphologyofNo.１crackspecimen
將圖２所示裂紋試樣沿白色實(shí)線切開(kāi),對(duì)切開(kāi)的截面進(jìn)行打磨并酸蝕,形貌如圖３a)所示.可以看出:左邊存在兩處起源于角焊縫根部的細(xì)小裂紋,見(jiàn)圖３a)中黑色箭頭所指;角焊縫根部存在大量夾渣、氣孔等缺陷,見(jiàn)圖３a)中白色箭頭所指;另外還有一條幾乎貫穿角焊縫的裂紋,應(yīng)當(dāng)為１號(hào)裂紋的延伸.將圖２所示裂紋試樣沿白色虛線切開(kāi),可見(jiàn)其截面上存在一條沿筒體母材厚度方向的貫穿性裂紋,如圖３b)所示,該裂紋為１號(hào)裂紋在母材上的延伸裂紋.
圖３ １號(hào)裂紋試樣解剖后的截面形貌
Fig.３ SectionmorphologyofNo.１crackspecimenafterdissection
a cutalongthesolidlineofFig.２
b cutalongthedottedlineofFig.２
將圖３所示裂紋打開(kāi),再按原位置拼接,斷口形貌如圖４a)所示.根據(jù)斷口形貌,可以判斷裂紋的擴(kuò)展方向,其中標(biāo)示f１和f２兩處裂紋源,f１位于角焊縫根部,距離筒體內(nèi)壁約２０mm.f１局部形貌見(jiàn)圖４b),可以看出裂紋從角焊縫根部f１處萌生后沿角焊縫向筒體外壁方向擴(kuò)展,擴(kuò)展方向如圖４b)中白色箭頭所示.f２位于筒體母材與角焊縫的熔合線位置,距離筒體外壁約１９mm.筒體母材與角焊縫的熔合線呈現(xiàn)出類似剪切唇的“突變”式臺(tái)階,可以看出,裂紋從f２處在筒體母材內(nèi)從外壁沿內(nèi)壁方向擴(kuò)展.從上述觀察結(jié)果判斷,裂紋源為f１處,在焊縫內(nèi)向外壁方向擴(kuò)展,在f２處發(fā)生轉(zhuǎn)折,擴(kuò)展至筒體母材.
圖４ １號(hào)裂紋斷口形貌
Fig.４ FracturemorphologyofNo.１cracka overallmorphology b morphologyofthef１cracksource
１．２ 硬度測(cè)試
從f１和f２裂紋源位置取樣,對(duì)焊縫、母材、熱影響區(qū)分別進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表２所示.對(duì)比
f１和f２兩處裂紋源位置的硬度,可以看出兩處位置的母材及熱影響區(qū)的硬度基本一致,但f１處的焊縫硬度遠(yuǎn)低于f２處的.這是由于f１位置為打底焊,需要預(yù)熱１００~１５０ ℃,焊接后焊縫金屬冷卻較慢;f２位置為蓋面焊道,焊后冷卻較快,因而f２位置焊縫硬度較高.表２ f１和f２裂紋源區(qū)域硬度測(cè)試結(jié)果。
１．３ 金相檢驗(yàn)
在f１裂紋源位置制取金相試樣,采用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕,微觀組織形貌如圖５所示.焊縫及熱影響區(qū)組織為鐵素體＋珠光體,熱影響區(qū)組織中的珠光體相對(duì)較多,與焊縫及熱影響區(qū)的硬度相匹配.
１．４ 掃描電鏡及能譜分析
圖５ 焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織形貌
Fig.５ Microstructuremorphologyoftheweldingseamandheheataffectedzonea weldingseam b heataffectedzone
如圖６所示,可以看出f１裂紋源處有異物存在.對(duì)該異物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖７所示,結(jié)果表明其含有較多碳、氮、氧、硫元素,可以判定該異物為夾渣類缺陷.夾渣出現(xiàn)的位置易形成裂紋源,導(dǎo)致在其周?chē)纬山饫頂嗫?使焊接接頭開(kāi)裂失效[２].
Fig.６ Morphologyofthef１cracksourcea macromorphology b slagdefectinthecracksource
觀察斷口部位的f２裂紋源,f２裂紋源處存在尺寸約為６mm×２mm 的未熔合缺陷,見(jiàn)圖８a),未熔合末端(見(jiàn)箭頭所指)為熱影響區(qū),斷裂形式為解理斷裂,系典型的脆性斷裂形貌,見(jiàn)圖８b).
圖８ f２裂紋源掃描電鏡形貌
Fig.８ Scanningelectronmicroscopemorphologyofthef２cracksource
a incompletefusiondefect b morphologyofthearrowposition
２ 分析與討論
接管是高壓加熱器常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式之一.接管部位受力條件復(fù)雜、幾何形狀變化大,易形成高應(yīng)變區(qū),導(dǎo)致應(yīng)力集中,尤其在厚壁容器中這種焊縫的拘束度相當(dāng)大,殘余應(yīng)力也較大,易產(chǎn)生裂紋等缺陷.
在制造過(guò)程中,必須加強(qiáng)接管焊縫焊接的過(guò)程控制,認(rèn)真做好坡口加工、預(yù)熱等準(zhǔn)備工作,按照經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行施焊,同時(shí)防止產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷,從而減少焊接裂紋的產(chǎn)生[３].文獻(xiàn)[４]在對(duì)高壓加熱器角焊縫裂紋進(jìn)行分析時(shí)認(rèn)為,根部未焊透是導(dǎo)致焊接冷裂紋形成的原因,文獻(xiàn)[５]認(rèn)為焊接熱應(yīng)力及拘束應(yīng)力是造成接管與筒體焊接裂紋的原因,文獻(xiàn)[６]發(fā)現(xiàn)焊接預(yù)熱不足會(huì)導(dǎo)致接管焊縫裂紋并傷及母材.
此外,文獻(xiàn)[７]研究表明,未及時(shí)進(jìn)行消氫處理也是導(dǎo)致接管和筒體焊接產(chǎn)生裂紋的重要原因.氫致裂紋主要產(chǎn)生在高、中碳鋼及中、低合金高強(qiáng)度鋼的焊接熱影響區(qū),影響因素主要有拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫.陳渝等[８]研究表明,鋼的硬度與氫致開(kāi)裂敏感性有關(guān),當(dāng)硬度大于３８ HRC 時(shí)具有氫致開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn);于書(shū)銘等[９]研究表明,馬氏體的存在促進(jìn)了氫致開(kāi)裂的產(chǎn)生.從前文分析來(lái)看,焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織均為鐵素體＋珠光體,不存在馬氏體等淬硬組織,其硬度遠(yuǎn)低于３８ HRC 的氫致開(kāi)裂的特征值,此外,裂紋起源于焊縫而非熱影響區(qū),因而可以排除角焊縫裂紋是氫致開(kāi)裂的可能。
斷口形貌顯示該裂紋存在f１ 和f２ 兩 處 裂 紋源,其 中 f１ 位 于 角 焊 縫 根 部,距 離 筒 體 內(nèi) 壁 約２０mm;f２位于母材與角焊縫熔合線位置,距離筒體外壁約１９mm.容器筒體開(kāi)孔后,不但削弱了容器壁的強(qiáng)度,而且在筒體與接管的連接處,由于原筒體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化,在開(kāi)孔區(qū)域形成一個(gè)局部的高應(yīng)力集中區(qū).開(kāi)孔邊緣處的應(yīng)力通常較高,甚至超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度.開(kāi)孔越大,對(duì)焊接質(zhì)量的影響通常越顯著.接管與筒體焊接時(shí),焊縫在焊后冷卻收縮過(guò)程中產(chǎn)生較大的三向拘束拉應(yīng)力,形成很大的內(nèi)應(yīng)力,降低了金屬在起裂位置(或裂紋前端)的臨界應(yīng)力,當(dāng)此處的局部應(yīng)力超過(guò)此臨界應(yīng)力時(shí)就會(huì)造成開(kāi)裂[７].當(dāng)焊縫有夾渣、未焊透等缺陷時(shí),焊縫缺陷處就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,在應(yīng)力作用下更容易產(chǎn)生裂紋[３,１０].根據(jù)斷口上的裂紋擴(kuò)展紋理花樣,判斷f１為裂紋的原始起裂點(diǎn),這是由于角焊縫根部焊接成形差,存在大量的夾渣、氣孔等缺陷(圖３和圖６),為焊縫的薄弱部位.在筒體冷卷形變殘余應(yīng)力和焊接應(yīng)力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,萌生裂紋,形成f１裂紋源,并在上述應(yīng)力的作用下進(jìn)一步向周?chē)鷶U(kuò)展.當(dāng)裂紋擴(kuò)展至熔合線時(shí),因母材具有更好的抗裂性,受到較大的阻力,難以繼續(xù)擴(kuò)展.裂紋繼續(xù)沿焊縫擴(kuò)展過(guò)程中,在角焊縫與母材熔合線的薄弱位置f２處(存在未熔合缺陷)發(fā)生轉(zhuǎn)折.掃描電鏡觀察結(jié)果表明,f２裂紋源產(chǎn)生于熔合線附近的熱影響區(qū),該位置存在尺寸約６mm×２mm 的未熔合缺陷,在外力作用下形成二次裂紋源.由于此處焊縫為蓋面焊道,焊縫金屬硬度較母材的高(表２),裂紋越過(guò)熔合線向母材擴(kuò)展,從而形成在筒體母材上的貫穿性裂紋.綜上所述,裂紋產(chǎn)生原因是焊縫根部成形不良,存在夾渣、氣孔等焊接缺陷,在焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致角焊縫開(kāi)裂并擴(kuò)展至筒體母材。
３ 返修
對(duì)筒體母材裂紋采取打止裂孔＋氣割的方式,消除裂紋并打磨去除氣割層.缺陷消除后,筒體開(kāi)口尺寸已達(dá)５５０mm×３００mm,結(jié)合筒體開(kāi)口尺寸大的特點(diǎn),綜合考慮各方面因素,采用整體鍛件并加工至契合尺寸再重新焊接接管角焊縫,經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算完全滿足設(shè)計(jì)要求.該方案不僅能有效縮短返修周期,而且能規(guī)避質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),為最優(yōu)返修方案.接管與筒體裝焊到位,按照原工藝進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊接及焊后熱處理,并對(duì)該接管和筒體的角焊縫進(jìn)行１００％射線探傷檢測(cè)＋１００％超聲探傷檢測(cè)＋１００％磁粉探傷檢測(cè),結(jié)果顯示該接管返修一次交檢合格。
４ 結(jié)論
(１)該接管與筒體角焊縫根部成形不良,存在夾渣、氣孔等焊接缺陷,在焊接應(yīng)力、結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋從此處萌生并擴(kuò)展開(kāi)裂。
(２)對(duì)開(kāi)裂筒體采取整體鍛件的返修方案,經(jīng)計(jì)算強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,并一次返修合格。
（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)）