摘 要:某６６０MW 高壓加熱器的筒體接管角焊縫在焊接過程中發(fā)生開裂并擴展至筒體母材.對其進行了宏觀檢驗、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析,以分析開裂原因.結果表明: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;在焊接應力、結構拘束應力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中,裂紋從此處萌生并擴展開裂.采用了與筒體返修開口尺寸匹配的整體鍛件返修方案,強度計算滿足設計要求,并一次返修合格。
關鍵詞:高壓加熱器;接管;角焊縫;裂紋;缺陷;返修
中圖分類號:TG４０１ 文獻標志碼:B 文章編號: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自汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水,使給水達到所要求的溫度,從而提高電廠的熱效率和保證機組出力,同時確保機組高效、安全、經(jīng)濟運行[１].
某６６０ MW 高壓加熱器在焊接筒體接管角焊縫過程中,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 為 １ 號 和 ２ 號,１ 號 裂 紋 內(nèi) 壁 長 度 約１００mm,２號裂紋內(nèi)壁長度約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圖１b),坡口采用氣割開孔,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 準 牌 號 NB/T ４７０１８ E５０１５),焊 條 在 ３５０~４００ ℃下烘干１~１．５h,焊接工藝參數(shù)見表１,焊后立即進行焊后熱處理(２００~２５０ ℃,２~３h),筒體母材、接管、焊條均經(jīng)入廠驗收合格.
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)同類問題,筆者對筒體裂紋區(qū)域取樣進行了理化檢驗和分析。
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀檢驗
選?。碧柫鸭y作為研究對象,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號裂紋試樣形貌
Fig.２ MorphologyofNo.１crackspecimen
將圖２所示裂紋試樣沿白色實線切開,對切開的截面進行打磨并酸蝕,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小裂紋,見圖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,應當為１號裂紋的延伸.將圖２所示裂紋試樣沿白色虛線切開,可見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號裂紋在母材上的延伸裂紋.
圖３ １號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,再按原位置拼接,斷口形貌如圖４a)所示.根據(jù)斷口形貌,可以判斷裂紋的擴展方向,其中標示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展,擴展方向如圖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)壁方向擴展.從上述觀察結果判斷,裂紋源為f１處,在焊縫內(nèi)向外壁方向擴展,在f２處發(fā)生轉(zhuǎn)折,擴展至筒體母材.
圖４ １號裂紋斷口形貌
Fig.４ FracturemorphologyofNo.１cracka overallmorphology b morphologyofthef１cracksource
１．２ 硬度測試
從f１和f２裂紋源位置取樣,對焊縫、母材、熱影響區(qū)分別進行硬度測試,結果如表２所示.對比
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處的焊縫硬度遠低于f２處的.這是由于f１位置為打底焊,需要預熱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)域硬度測試結果。
１．３ 金相檢驗
在f１裂紋源位置制取金相試樣,采用４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液進行侵蝕,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.對該異物進行能譜分析,結果如圖７所示,結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,導致在其周圍形成解理斷口,使焊接接頭開裂失效[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,見圖８a),未熔合末端(見箭頭所指)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的結構形式之一.接管部位受力條件復雜、幾何形狀變化大,易形成高應變區(qū),導致應力集中,尤其在厚壁容器中這種焊縫的拘束度相當大,殘余應力也較大,易產(chǎn)生裂紋等缺陷.
在制造過程中,必須加強接管焊縫焊接的過程控制,認真做好坡口加工、預熱等準備工作,按照經(jīng)評定合格的焊接工藝進行施焊,同時防止產(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[４]在對高壓加熱器角焊縫裂紋進行分析時認為,根部未焊透是導致焊接冷裂紋形成的原因,文獻[５]認為焊接熱應力及拘束應力是造成接管與筒體焊接裂紋的原因,文獻[６]發(fā)現(xiàn)焊接預熱不足會導致接管焊縫裂紋并傷及母材.
此外,文獻[７]研究表明,未及時進行消氫處理也是導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、低合金高強度鋼的焊接熱影響區(qū),影響因素主要有拘束應力、淬硬組織和氫.陳渝等[８]研究表明,鋼的硬度與氫致開裂敏感性有關,當硬度大于３８ HRC 時具有氫致開裂的風險;于書銘等[９]研究表明,馬氏體的存在促進了氫致開裂的產(chǎn)生.從前文分析來看,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,其硬度遠低于３８ HRC 的氫致開裂的特征值,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.容器筒體開孔后,不但削弱了容器壁的強度,而且在筒體與接管的連接處,由于原筒體結構產(chǎn)生了變化,在開孔區(qū)域形成一個局部的高應力集中區(qū).開孔邊緣處的應力通常較高,甚至超過了材料的屈服強度.開孔越大,對焊接質(zhì)量的影響通常越顯著.接管與筒體焊接時,焊縫在焊后冷卻收縮過程中產(chǎn)生較大的三向拘束拉應力,形成很大的內(nèi)應力,降低了金屬在起裂位置(或裂紋前端)的臨界應力,當此處的局部應力超過此臨界應力時就會造成開裂[７].當焊縫有夾渣、未焊透等缺陷時,焊縫缺陷處就會產(chǎn)生應力集中,在應力作用下更容易產(chǎn)生裂紋[３,１０].根據(jù)斷口上的裂紋擴展紋理花樣,判斷f１為裂紋的原始起裂點,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力和焊接應力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中,萌生裂紋,形成f１裂紋源,并在上述應力的作用下進一步向周圍擴展.當裂紋擴展至熔合線時,因母材具有更好的抗裂性,受到較大的阻力,難以繼續(xù)擴展.裂紋繼續(xù)沿焊縫擴展過程中,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),裂紋越過熔合線向母材擴展,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,在焊接應力、結構拘束應力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中,導致角焊縫開裂并擴展至筒體母材。
３ 返修
對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,筒體開口尺寸已達５５０mm×３００mm,結合筒體開口尺寸大的特點,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)強度計算完全滿足設計要求.該方案不僅能有效縮短返修周期,而且能規(guī)避質(zhì)量風險,為最優(yōu)返修方案.接管與筒體裝焊到位,按照原工藝進行焊前預熱、焊接及焊后熱處理,并對該接管和筒體的角焊縫進行１００％射線探傷檢測＋１００％超聲探傷檢測＋１００％磁粉探傷檢測,結果顯示該接管返修一次交檢合格。
４ 結論
(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,在焊接應力、結構拘束應力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中,裂紋從此處萌生并擴展開裂。
(２)對開裂筒體采取整體鍛件的返修方案,經(jīng)計算強度滿足設計要求,并一次返修合格。
（文章來源：材料與測試網(wǎng)）