分享：６６０MW 高压加热器接管角焊缝开裂原因分析

摘 要:某６６０MW 高压加热器的筒体接管角焊缝在焊接过程中发生开裂并扩展至筒体母材.对其进行了宏观检验、硬度测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析,以分析开裂原因.结果表明:接管与筒体角焊缝根部成形不良,存在夹渣气孔等焊接缺陷;在焊接应力、结构拘束应力的作用下,焊接缺陷处产生应力集中,裂纹从此处萌生并扩展开裂.采用了与筒体返修开口尺寸匹配的整体锻件返修方案,强度计算满足设计要求,并一次返修合格。

关键词:高压加热器;接管;角焊缝;裂纹;缺陷;返修

中图分类号:TG４０１ 文献标志码:B 文章编号: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

高压加热器是利用来自汽轮机的抽汽加热锅炉给水,使给水达到所要求的温度,从而提高电厂的热效率和保证机组出力,同时确保机组高效、安全、经济运行[１].

某６６０ MW 高压加热器在焊接筒体接管角焊缝过程中,发现接管边上筒体母材有贯穿性裂纹.

从筒体内部看到的裂纹形貌如图１a)所示,两条裂纹分别编 号 为 １ 号 和 ２ 号,１ 号 裂 纹 内 壁 长 度 约１００mm,２号裂纹内壁长度约１７０ mm.筒体母材材料为SAＧ５１６Gr７０钢板,壁厚为１２０ mm,接管材料为 １６MnII钢 锻 件,规 格 为 外 径 １６５ mm、内 径４５mm.筒体和接管的坡口形式见图１b),坡口采用气割开孔,并采用砂轮打磨坡口使其呈现金属光泽.接管焊接采用手工焊,焊条材料为 CHE５０７R(标 准 牌 号 NB/T ４７０１８ E５０１５),焊 条 在 ３５０~４００ ℃下烘干１~１．５h,焊接工艺参数见表１,焊后立即进行焊后热处理(２００~２５０ ℃,２~３h),筒体母材、接管、焊条均经入厂验收合格.

为了查明筒体裂纹产生的原因,确保后续返修成功,避免再次出现同类问题,笔者对筒体裂纹区域取样进行了理化检验和分析。

１ 理化检验

１．１ 宏观检验

选取１号裂纹作为研究对象,分析裂纹的产生原因.取下的裂纹试样内壁形貌如图２所示,试样包含接管、角焊缝和筒体,以及起始于角焊缝并终止于筒体母材的裂纹.

图２ １号裂纹试样形貌

Fig.２ MorphologyofNo.１crackspecimen

将图２所示裂纹试样沿白色实线切开,对切开的截面进行打磨并酸蚀,形貌如图３a)所示.可以看出:左边存在两处起源于角焊缝根部的细小裂纹,见图３a)中黑色箭头所指;角焊缝根部存在大量夹渣、气孔等缺陷,见图３a)中白色箭头所指;另外还有一条几乎贯穿角焊缝的裂纹,应当为１号裂纹的延伸.将图２所示裂纹试样沿白色虚线切开,可见其截面上存在一条沿筒体母材厚度方向的贯穿性裂纹,如图３b)所示,该裂纹为１号裂纹在母材上的延伸裂纹.

图３ １号裂纹试样解剖后的截面形貌

Fig.３ SectionmorphologyofNo.１crackspecimenafterdissection

a cutalongthesolidlineofFig.２

b cutalongthedottedlineofFig.２

将图３所示裂纹打开,再按原位置拼接,断口形貌如图４a)所示.根据断口形貌,可以判断裂纹的扩展方向,其中标示f１和f２两处裂纹源,f１位于角焊缝根部,距离筒体内壁约２０mm.f１局部形貌见图４b),可以看出裂纹从角焊缝根部f１处萌生后沿角焊缝向筒体外壁方向扩展,扩展方向如图４b)中白色箭头所示.f２位于筒体母材与角焊缝的熔合线位置,距离筒体外壁约１９mm.筒体母材与角焊缝的熔合线呈现出类似剪切唇的“突变”式台阶,可以看出,裂纹从f２处在筒体母材内从外壁沿内壁方向扩展.从上述观察结果判断,裂纹源为f１处,在焊缝内向外壁方向扩展,在f２处发生转折,扩展至筒体母材.

图４ １号裂纹断口形貌

Fig.４ FracturemorphologyofNo.１cracka overallmorphology b morphologyofthef１cracksource

１．２ 硬度测试

从f１和f２裂纹源位置取样,对焊缝、母材、热影响区分别进行硬度测试,结果如表２所示.对比

f１和f２两处裂纹源位置的硬度,可以看出两处位置的母材及热影响区的硬度基本一致,但f１处的焊缝硬度远低于f２处的.这是由于f１位置为打底焊,需要预热１００~１５０ ℃,焊接后焊缝金属冷却较慢;f２位置为盖面焊道,焊后冷却较快,因而f２位置焊缝硬度较高.表２ f１和f２裂纹源区域硬度测试结果。

１．３ 金相检验

在f１裂纹源位置制取金相试样,采用４％(体积分数)硝酸酒精溶液进行侵蚀,微观组织形貌如图５所示.焊缝及热影响区组织为铁素体＋珠光体,热影响区组织中的珠光体相对较多,与焊缝及热影响区的硬度相匹配.

１．４ 扫描电镜及能谱分析

图５ 焊缝及热影响区的显微组织形貌

Fig.５ Microstructuremorphologyoftheweldingseamandheheataffectedzonea weldingseam b heataffectedzone

如图６所示,可以看出f１裂纹源处有异物存在.对该异物进行能谱分析,结果如图７所示,结果表明其含有较多碳、氮、氧、硫元素,可以判定该异物为夹渣类缺陷.夹渣出现的位置易形成裂纹源,导致在其周围形成解理断口,使焊接接头开裂失效[２].

Fig.６ Morphologyofthef１cracksourcea macromorphology b slagdefectinthecracksource