分享：锅炉换热管开裂原因

某单位在对锅炉换热管进行装配过程中,发现前水冷管组上部靠近弯管区域的管子和扁钢角焊缝处发生开裂现象。现场取回1件缺陷样管,换热管的材料为SA-210M GrC钢。笔者采用一系列理化检验方法分析了该换热管开裂的原因,以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂换热管的宏观形貌如图1所示。由图1可知：裂纹位于管板焊接接头的焊缝位置,裂纹长度为28 mm。 

图  1  开裂换热管的宏观形貌

沿垂直裂纹将两侧切开,对断口进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知：裂纹已沿钢管厚度贯穿,对断口进行清洗后,发现断裂面呈放射状,放射线逆指向于角焊缝根部,裂纹起源于焊缝位置。 

图  2  断口处宏观形貌

1.2   化学成分分析

在开裂换热管上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂换热管的化学成分符合ASME SA-210M—2019 《锅炉和过热器用无缝中碳钢管》的要求。 

1.3   金相检验

采用体视显微镜对焊接接头的低倍组织进行观察,结果如图3所示。由图3可知：两侧角焊缝根部均存在未焊透现象,2号焊缝根部未焊透现象尤为明显。 

图  3  焊接接头的低倍组织形貌

在焊接接头上取金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：角焊缝两侧均存在未焊透和未熔合现象,2号焊缝有明显的焊接缺陷；1号焊缝的焊趾处发现焊瘤；2号焊缝的焊趾处存在一条微裂纹,该裂纹位于焊接接头热影响区,焊缝处有一条长度约为350 μm的裂纹,裂纹起源于管子外表面,并向内表面扩展；焊缝过热区组织为马氏体；母材组织为铁素体+珠光体,母材组织正常。 

图  4  焊接接头的微观形貌

采用GB/T 10561—2023 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对管子的非金属夹杂物进行评级,结果如表2所示,夹杂物含量较少。 

1.4   硬度测试

按照GB/T 4340.1—2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》,采用维氏硬度计对开裂换热管焊接接头的焊缝、热影响区、母材进行维氏硬度测试,结果如表3所示。由表3可知：焊接接头热影响区的硬度远高于母材的硬度。 

1.5   扫描电镜（SEM）分析

采用场发射扫描电子显微镜对换热管断口进行分析,结果如图5所示。由图5可知：焊缝存在未熔合缺陷,裂纹源区呈解理断裂特征。 

图  5  换热管断口处SEM形貌

2.   综合分析

综合上述分析结果可知,换热管的开裂与焊接缺陷有关,换热管两侧焊缝均存在未焊透和未熔合现象,且热影响区的硬度远高于母材的硬度。在装配应力、焊接残余应力及焊接缺陷的综合作用下,裂纹优先在马氏体等高组织应力的区域产生,并不断扩展,最终导致换热管发生开裂[1]。 

经过调查,焊接时焊缝位置及近焊缝区域的加热温度可达1 350 ℃,使近焊缝区的奥氏体晶粒异常长大；换热管进行对接时为冬季,室温约为5 ℃,且施焊位置处于风口区域,温度较低,换热管焊接处属于较小的焊接熔池,冷却速率较快,使粗大的奥氏体转变成马氏体[2]。在焊接时,焊枪未充分摆动,焊接位置存在死角,导致焊接接头出现未焊透、未熔合等焊接缺陷。研究表明,焊接时钢的淬硬倾向越大,越易产生裂纹,而换热管焊缝区域的马氏体和焊接缺陷使材料的脆性变大,导致材料产生裂纹。 

3.   结论与建议

开裂换热管的焊接工艺不当,导致焊接接头出现未焊透、未熔合、裂纹等焊接缺陷,在装配过程中产生应力集中,且焊缝热影响区出现淬硬的马氏体,增大了材料的裂纹敏感性,随着装配应力的增大,最终导致换热管发生开裂。 

建议完善焊接工艺,充分摆动焊枪,确保焊缝熔合良好,消除未焊透、未熔合、裂纹等焊接缺陷。确保焊缝组织均匀,尽量避免在低温天气或有气流的区域施焊,焊后对焊缝位置加盖,防止焊缝骤冷,避免出现马氏体等裂纹敏感性较大的淬硬组织,整体或局部消除焊接残余应力。 

文章来源——材料与测试网