某單位在對鍋爐換熱管進行裝配過程中,發現前水冷管組上部靠近彎管區域的管子和扁鋼角焊縫處發生開裂現象。現場取回1件缺陷樣管,換熱管的材料為SA-210M GrC鋼。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該換熱管開裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂換熱管的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋位于管板焊接接頭的焊縫位置,裂紋長度為28 mm。 

圖  1  開裂換熱管的宏觀形貌

沿垂直裂紋將兩側切開,對斷口進行宏觀觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：裂紋已沿鋼管厚度貫穿,對斷口進行清洗后,發現斷裂面呈放射狀,放射線逆指向于角焊縫根部,裂紋起源于焊縫位置。 

圖  2  斷口處宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂換熱管上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：開裂換熱管的化學成分符合ASME SA-210M—2019 《鍋爐和過熱器用無縫中碳鋼管》的要求。 

1.3   金相檢驗

采用體視顯微鏡對焊接接頭的低倍組織進行觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：兩側角焊縫根部均存在未焊透現象,2號焊縫根部未焊透現象尤為明顯。 

圖  3  焊接接頭的低倍組織形貌

在焊接接頭上取金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：角焊縫兩側均存在未焊透和未熔合現象,2號焊縫有明顯的焊接缺陷；1號焊縫的焊趾處發現焊瘤；2號焊縫的焊趾處存在一條微裂紋,該裂紋位于焊接接頭熱影響區,焊縫處有一條長度約為350 μm的裂紋,裂紋起源于管子外表面,并向內表面擴展；焊縫過熱區組織為馬氏體；母材組織為鐵素體+珠光體,母材組織正常。 

圖  4  焊接接頭的微觀形貌

采用GB/T 10561—2023 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對管子的非金屬夾雜物進行評級,結果如表2所示,夾雜物含量較少。 

1.4   硬度測試

按照GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》,采用維氏硬度計對開裂換熱管焊接接頭的焊縫、熱影響區、母材進行維氏硬度測試,結果如表3所示。由表3可知：焊接接頭熱影響區的硬度遠高于母材的硬度。 

1.5   掃描電鏡（SEM）分析

采用場發射掃描電子顯微鏡對換熱管斷口進行分析,結果如圖5所示。由圖5可知：焊縫存在未熔合缺陷,裂紋源區呈解理斷裂特征。 

圖  5  換熱管斷口處SEM形貌

2.   綜合分析

綜合上述分析結果可知,換熱管的開裂與焊接缺陷有關,換熱管兩側焊縫均存在未焊透和未熔合現象,且熱影響區的硬度遠高于母材的硬度。在裝配應力、焊接殘余應力及焊接缺陷的綜合作用下,裂紋優先在馬氏體等高組織應力的區域產生,并不斷擴展,最終導致換熱管發生開裂[1]。 

經過調查,焊接時焊縫位置及近焊縫區域的加熱溫度可達1 350 ℃,使近焊縫區的奧氏體晶粒異常長大；換熱管進行對接時為冬季,室溫約為5 ℃,且施焊位置處于風口區域,溫度較低,換熱管焊接處屬于較小的焊接熔池,冷卻速率較快,使粗大的奧氏體轉變成馬氏體[2]。在焊接時,焊槍未充分擺動,焊接位置存在死角,導致焊接接頭出現未焊透、未熔合等焊接缺陷。研究表明,焊接時鋼的淬硬傾向越大,越易產生裂紋,而換熱管焊縫區域的馬氏體和焊接缺陷使材料的脆性變大,導致材料產生裂紋。 

3.   結論與建議

開裂換熱管的焊接工藝不當,導致焊接接頭出現未焊透、未熔合、裂紋等焊接缺陷,在裝配過程中產生應力集中,且焊縫熱影響區出現淬硬的馬氏體,增大了材料的裂紋敏感性,隨著裝配應力的增大,最終導致換熱管發生開裂。 

建議完善焊接工藝,充分擺動焊槍,確保焊縫熔合良好,消除未焊透、未熔合、裂紋等焊接缺陷。確保焊縫組織均勻,盡量避免在低溫天氣或有氣流的區域施焊,焊后對焊縫位置加蓋,防止焊縫驟冷,避免出現馬氏體等裂紋敏感性較大的淬硬組織,整體或局部消除焊接殘余應力。 

文章來源——材料與測試網