圖 1斷口整體及局部微觀形貌
近年來，燃氣機組具有良好的調(diào)峰能力與清潔排放水平，越來越受到廣泛關注[1-2]。燃氣機組的余熱鍋爐壓力等級較高，受壓元件長期處于高溫、高壓的運行環(huán)境下，承受著復雜多變的工作壓力和交變應力。因此，對相關設備的材料、焊接結構、制造工藝及檢驗方法等均有較高要求。
高溫過熱器集箱為過熱蒸汽的匯集部件，存在大量高溫過熱管與集箱的角接接頭，其角焊縫的焊接質(zhì)量直接影響了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[3-4]。
江蘇省某460 MW燃氣輪機某高溫過熱器集箱角焊縫發(fā)生多處開裂，管子材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為32 mm×2.79 mm（外徑×壁厚）。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了焊縫開裂的原因，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 金相檢驗
在斷口處截取并制備試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，其斷口微觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷口內(nèi)外壁均存在明顯氧化膜，且外壁氧化膜較厚，說明該處已經(jīng)開裂較長時間，裂紋由外壁起始，并不斷向內(nèi)壁擴展。開裂兩側(cè)存在多處微裂紋，裂紋內(nèi)存在氧化夾雜物。
將斷口試樣進行腐蝕，再將其置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖2~3所示。由圖2~3可知：開裂處主要位于焊縫熱影響區(qū)和粗晶區(qū)，起始區(qū)域位于焊縫熔合線附近，存在多處沿晶微裂紋；焊縫存在淬硬的馬氏體；母材區(qū)域組織為鐵素體+珠光體，球化級別為3級，未見明顯組織過熱特征。
圖 2腐蝕后斷口附近及焊縫顯微組織形貌
圖 3母材顯微組織形貌
1.2 力學性能測試
對試樣進行小負荷維氏硬度測試，結果如圖4所示。從開裂處向母材處一共測試了25個點，兩點間間距為0.3 mm。點1~11的硬度為焊縫硬度，點12~25的硬度為熱影響區(qū)及母材硬度。
圖 4開裂焊縫附近維氏硬度測試結果
焊縫最高硬度為354 HV，遠離斷口母材處的硬度為196 HV，開裂兩側(cè)硬度為330 HV，焊縫的硬度高于母材100 HV以上，結果不符合DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》的要求。
2. 綜合分析
該高溫過熱器集箱焊縫熱影響區(qū)的硬度、組織不符合標準要求，硬度超過標準值100 HV，且焊縫存在淬硬的馬氏體（DL/T 869—2021中要求焊縫及熱影響區(qū)不應存在淬硬的馬氏體及微裂紋），焊接質(zhì)量不佳。裂縫附近存在多處微裂紋，應為開裂過程中的次生裂紋。母材組織為鐵素體+珠光體，組織球化級別為3級，母材的組織符合標準要求。
該機組高溫過熱器集箱采用插入式接管，管子壁厚與集箱壁厚相差較大，且集箱接管開孔均為偏置直通孔，開孔中心線與集箱中心線不交叉，導致角焊縫空間形態(tài)為半馬鞍形，焊接難度與應力集中系數(shù)較大。上集箱角焊縫除受到工質(zhì)內(nèi)壓力外，還需承受下部結構（包括下集箱）的重力，如存在應力分布不均的情況，易造成部分管段承載異常。下側(cè)管子長度約為21 m，當發(fā)生升溫和降溫速率過大、膨脹受阻的情況時，集箱角焊縫位置容易發(fā)生承載異?！，F(xiàn)場擴大檢查范圍發(fā)現(xiàn)，多處開裂集箱角焊縫均位于煙氣擋板固定抱箍的固定管上，在鍋爐啟停及調(diào)峰過程中，煙氣流場會發(fā)生突變，煙氣擋板會承受交變應力，并通過抱箍傳遞到高溫過熱器管段上，從而造成角焊縫處承受交變載荷[5]。
角焊縫的疲勞性能主要與應力幅值、焊接質(zhì)量和初始安裝應力有關，當應力幅值較大時，焊接質(zhì)量的影響變小，而當應力幅值較小時，焊接質(zhì)量的影響變大，焊縫的組織與硬度均不合格，這使得其實際壽命遠短于理論計算壽命[6-7]。
斷裂過程材料主要承受交變應力，焊接質(zhì)量不佳促進了裂紋的形成與快速擴展。對高溫過熱器集箱結構進行分析，集箱與管間剛度差別大，在角焊縫根部容易產(chǎn)生應力集中，使該處成為管路的薄弱環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)與多處開裂角焊縫連接的高溫過熱器管均有固定的煙氣擋板，煙氣擋板引起的交變應力是角焊縫的異常應力來源。此外，角焊縫還承受了下集箱與管道的重力、調(diào)峰造成的熱應力及膨脹不暢造成的應力。
3. 結語與處置措施
焊接質(zhì)量不佳、焊縫硬度偏高及組織異常促進了裂紋的形成與擴展，這是焊縫開裂的內(nèi)在原因。煙氣擋板帶來的交變應力與結構應力、熱應力共同構成應力來源。建議采取以下措施預防焊縫再次開裂。
（1）擴大檢查范圍，對過熱器系統(tǒng)集箱的角焊縫進行磁粉或滲透檢測，及時更換開裂管段。
（2）加強換管前后的質(zhì)量監(jiān)督，該部位焊接難度大，易于形成焊接缺陷，在換熱管熱處理完成24 h后應對其進行無損檢測。
（3）對現(xiàn)場焊接接頭進行硬度測試，硬度超出標準規(guī)定的要進行返修。
（4）重點檢查煙氣擋板附近角焊縫的開裂情況，必要時更改煙氣擋板的固定形式，避免管段異常受力。
文章來源——材料與測試網(wǎng)