摘 要:采用渗透检验测试、金相检验、断口分析和力学性能测试等方法对锅炉给水预热器管箱高温 段环焊缝开裂原因做多元化的分析。根据结果得出:焊后热处理不符合标准要求,使环焊缝及热影响区形成马氏 体;设备在服役过程中,马氏体分解产生析出相,使晶界蠕变能力降低,在高温运行环境下,环焊缝 产生再热裂纹并发生沿晶开裂。
高压锅炉给水预热器属于三类能承受压力的容器[1]。某 公司锅炉给水预热器投入到正常的使用中4个月后,其管箱发 生泄漏。经检查,确定泄漏点位于管箱高温段环焊 缝处,裂纹垂直于焊缝。笔者采用一系列理化检验 方法分析其开裂原因,并提出了改进建议。
截取高温段环焊缝为试样,依据NB/T47013.5— 2015《承压设备无损害检验测试 第5部分 渗透检验测试》标 准,对试样焊缝外表面裂纹区进行渗透检测,结果如 图1所示,其中4条裂纹未扩展至管箱母材,其余裂 纹尖端均延伸至管箱母材,裂纹无分叉。
沿垂直于焊缝的纵截面截取试样,抛光后采用 体积分数为4%的硝酸乙醇溶液对其进行腐蚀,采 用光学显微镜对其进行观察,结果如图2~3所示。 由图2~3可知:管箱母材显微组织为贝氏体,热影 响区显微组织为马氏体+贝氏体+铁素体,焊缝显 微组织为马氏体+铁素体+贝氏体,马氏体为主要 组织,部分晶界存在析出相,主裂纹上有树枝状小裂 纹,为沿晶裂纹,焊缝区存在孤岛、台阶状的裂纹。 初步判断,马氏体的形成与焊后热处理不符合标准要求 有关。
截取高温段环焊缝制作力学性能测试试样,分 别采用拉伸试验机、冲击试验机和维氏硬度计对试 样的拉伸、冲击性能和硬度来测试,结果如表1所 示。由表1可知:焊缝的断后伸长率、冲击吸收能量 不满足相关标准对CM-A106N钢的要求;焊缝、热影响区的硬度偏高,管箱母材的硬度正常。说明设备在 高温服役过程中,金属基体内的杂质元素逐渐析出, 偏聚于晶界,使焊缝材料的塑性变形力和冲击韧 性降低[2]。
采用扫描电镜(SEM)对环焊缝断面进行观察, 结果如图4所示。由图4可知:断面以沿晶开裂特 征为主,存在二次裂纹,局部存在韧窝;A 区为焊缝 组织柱状沿晶开裂颗粒,B区为沿晶开裂特征,焊缝 内存在颗粒状原始缺陷。从SEM 分析可知,裂纹 启裂于焊缝外表面,晶面存在较多颗粒状析出相。 根据此现象可断定焊缝晶界的塑性变形力较低。
(1)上述分析根据结果得出:管箱焊缝处材料硬度 偏高,这是因为存在马氏体组织。对于铬钼钢厚壁 容器的焊接,若未进行焊前预热或预热温度不够,焊 接过程中冷却速率较快,当达到马氏体转变温度时, 易产生马氏体组织[3]。设备在高温服役时,马氏体 进行回火分解,在晶界上产生析出相,使晶界的蠕变 强度降低,在高温过程中易出现沿晶裂纹。
(2)焊缝裂纹仅出现在高温段,说明裂纹的出现与其使用环境有关。该预热器管箱材料为 SA387Gr22CL2、管板材料为SA336F22CL3Ⅳ,属于低 合金高强度钢,所选焊材CM-A106N钢的化学成分 与母材一致。当设备一直处在高温环境时,焊缝中 的杂质元素会逐步向原奥氏体晶界富集,大幅度的降低 晶界的塑性变形力[4],沉淀相在晶界的析出也为 裂纹的萌生提供了条件[5],裂纹起始于焊缝和热影 响区的粗晶区域,终止于热影响区和母材细晶区[6], 符合厚板焊缝结构再热裂纹的开裂特征。
(1)由于焊后热处理不符合标准要求,在焊缝区形 成了马氏体,且晶间存在较多颗粒状的析出相,导致 晶界的蠕变强度下降,塑性变形力降低,设备在高 温服役时形成了沿晶开裂的再热裂纹,以及长期高 温环境下产生的热应力促进了裂纹的扩展,导致管 箱环焊缝开裂。
(2)建议选择纯净度高的材料,避免杂质元素 在晶界处富集;改进产品结构,降低产品自身的刚 性;改进焊接工艺,控制预热及后热温度、热处理工 艺;使用的过程中避免超温、超压运行。
[1] 袁文君.高压锅炉给水预热器管箱筒体裂纹修复[J]. 设备管理与维修,2016(5):29-30.
