分享：某余热锅炉高温过热器集箱角焊缝开裂原因

近年来，燃气机组具有良好的调峰能力与清洁排放水平，越来越受到广泛关注[1-2]。燃气机组的余热锅炉压力等级较高，受压元件长期处于高温、高压的运行环境下，承受着复杂多变的工作压力和交变应力。因此，对相关设备的材料、焊接结构、制造工艺及检验方法等均有较高要求。 

高温过热器集箱为过热蒸汽的汇集部件，存在大量高温过热管与集箱的角接接头，其角焊缝的焊接质量直接影响了系统运行的稳定性[3-4]。 

江苏省某460 MW燃气轮机某高温过热器集箱角焊缝发生多处开裂，管子材料为12Cr1MoVG钢，规格为32 mm×2.79 mm（外径×壁厚）。笔者采用一系列理化检验方法分析了焊缝开裂的原因，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   金相检验

在断口处截取并制备试样，将试样置于光学显微镜下观察，其断口微观形貌如图1所示。由图1可知：断口内外壁均存在明显氧化膜，且外壁氧化膜较厚，说明该处已经开裂较长时间，裂纹由外壁起始，并不断向内壁扩展。开裂两侧存在多处微裂纹，裂纹内存在氧化夹杂物。 

图  1  断口整体及局部微观形貌

将断口试样进行腐蚀，再将其置于光学显微镜下观察，结果如图2~3所示。由图2~3可知：开裂处主要位于焊缝热影响区和粗晶区，起始区域位于焊缝熔合线附近，存在多处沿晶微裂纹；焊缝存在淬硬的马氏体；母材区域组织为铁素体+珠光体，球化级别为3级，未见明显组织过热特征。 

图  2  腐蚀后断口附近及焊缝显微组织形貌

图  3  母材显微组织形貌

1.2   力学性能测试

对试样进行小负荷维氏硬度测试，结果如图4所示。从开裂处向母材处一共测试了25个点，两点间间距为0.3 mm。点1~11的硬度为焊缝硬度，点12~25的硬度为热影响区及母材硬度。 

图  4  开裂焊缝附近维氏硬度测试结果

焊缝最高硬度为354 HV，远离断口母材处的硬度为196 HV，开裂两侧硬度为330 HV，焊缝的硬度高于母材100 HV以上，结果不符合DL/T 869—2021《火力发电厂焊接技术规程》的要求。 

2.   综合分析

该高温过热器集箱焊缝热影响区的硬度、组织不符合标准要求，硬度超过标准值100 HV，且焊缝存在淬硬的马氏体（DL/T 869—2021中要求焊缝及热影响区不应存在淬硬的马氏体及微裂纹），焊接质量不佳。裂缝附近存在多处微裂纹，应为开裂过程中的次生裂纹。母材组织为铁素体+珠光体，组织球化级别为3级，母材的组织符合标准要求。 

该机组高温过热器集箱采用插入式接管，管子壁厚与集箱壁厚相差较大，且集箱接管开孔均为偏置直通孔，开孔中心线与集箱中心线不交叉，导致角焊缝空间形态为半马鞍形，焊接难度与应力集中系数较大。上集箱角焊缝除受到工质内压力外，还需承受下部结构（包括下集箱）的重力，如存在应力分布不均的情况，易造成部分管段承载异常。下侧管子长度约为21 m，当发生升温和降温速率过大、膨胀受阻的情况时，集箱角焊缝位置容易发生承载异常。现场扩大检查范围发现，多处开裂集箱角焊缝均位于烟气挡板固定抱箍的固定管上，在锅炉启停及调峰过程中，烟气流场会发生突变，烟气挡板会承受交变应力，并通过抱箍传递到高温过热器管段上，从而造成角焊缝处承受交变载荷[5]。 

角焊缝的疲劳性能主要与应力幅值、焊接质量和初始安装应力有关，当应力幅值较大时，焊接质量的影响变小，而当应力幅值较小时，焊接质量的影响变大，焊缝的组织与硬度均不合格，这使得其实际寿命远短于理论计算寿命[6-7]。 

断裂过程材料主要承受交变应力，焊接质量不佳促进了裂纹的形成与快速扩展。对高温过热器集箱结构进行分析，集箱与管间刚度差别大，在角焊缝根部容易产生应力集中，使该处成为管路的薄弱环节。现场检查发现与多处开裂角焊缝连接的高温过热器管均有固定的烟气挡板，烟气挡板引起的交变应力是角焊缝的异常应力来源。此外，角焊缝还承受了下集箱与管道的重力、调峰造成的热应力及膨胀不畅造成的应力。 

3.   结语与处置措施

焊接质量不佳、焊缝硬度偏高及组织异常促进了裂纹的形成与扩展，这是焊缝开裂的内在原因。烟气挡板带来的交变应力与结构应力、热应力共同构成应力来源。建议采取以下措施预防焊缝再次开裂。 

（1）扩大检查范围，对过热器系统集箱的角焊缝进行磁粉或渗透检测，及时更换开裂管段。 

（2）加强换管前后的质量监督，该部位焊接难度大，易于形成焊接缺陷，在换热管热处理完成24 h后应对其进行无损检测。 

（3）对现场焊接接头进行硬度测试，硬度超出标准规定的要进行返修。 

（4）重点检查烟气挡板附近角焊缝的开裂情况，必要时更改烟气挡板的固定形式，避免管段异常受力。

文章来源——材料与测试网