摘 要:某SA-192高頻焊翅片管發生漏水,采用宏觀觀察、尺寸測量、化學成分分析、金相檢驗、 掃描電鏡和能譜分析、硬度測試等方法對其漏水原因進行分析。結果表明:漏水的主要原因是焊接 時高頻電流集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表面局部受熱嚴重,出現過燒缺陷;過 燒缺陷導致鋼管表面堆積大量焊渣,降低了基體材料的塑性和韌性,促使表面凹坑和孔洞的形成。 

關鍵詞:SA-192翅片管;高頻焊;過燒;孔洞;漏水

中圖分類號:TB31;TG115.2               文獻標志碼:A                       文章編號:1001-4012(2023)06-0010-05

SA-192翅片管是一種高效傳熱元件,其傳熱面 積大,被廣泛應用于各種鍋爐受熱面、壓力容器等設 備中[1-2]。長期以來,焊接工藝不當引起的各類零部 件失效有很多[3-6]。及時分析缺陷產生的原因是預 防事故和提高生產效益的必要措施[7]。 

某熱軋廠生產的 SA-192高頻焊翅片管發生 漏水事故,其規格為44.5mm×2.6mm(外徑×壁 厚)。焊接翅片管的高頻設備功率為400kW,頻 率為300kHz。筆者采用一系列理化檢驗方法對 該管的漏水原因進行分析,以避免該類問題再次 發生。 

1 理化檢驗 

1.1 宏觀觀察 

翅片管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:缺 陷管內表面有明顯高溫灼燒痕跡,且局部出現破損 和凸起;缺陷管外表面存在多處凹坑和孔洞,且外表 面凹坑和孔洞處的壁厚減薄,其附近有大量黑色物 質堆積。 

1.2 尺寸測量

為了分析缺陷產生的原因,對缺陷管進行取樣 分析,取樣位置如圖2所示。在取樣過程中,發現 5# 區域外表面凹坑處有“針孔狀”缺陷(見圖3箭頭 所指),該處疑似為漏水處。6# 區域內表面明顯凸 起,且外表面存在多處凹坑(見圖4箭頭所指)。

缺陷管實測外徑為44.85mm,正常區域壁厚為3.00mm,內表面凸起區域壁厚為6.86mm,高溫減 薄區域壁厚為2.02mm。采用凹痕測量儀對圖3和 圖4中外表面的顯著凹坑進行深度測量,測量結果 分別為2.088,0.715,0.612mm。

1.3 化學成分分析 

采用直讀光譜儀對缺陷管進行化學成分分析, 結果如表 1 所示,由表 1 可知:其化學成分符合 ASMESA192/192M—2021 《高壓用無縫鋼管規 范》的要求。

1.4 金相檢驗 

對圖2中不同取樣位置的試樣進行打磨、拋光, 再用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,將其置 于光學顯微鏡下觀察,結果如圖 5~9 所示。由 圖5~7可知,1# ,3# 和4# 區域的組織為鐵素體+ 珠光體,晶粒度均為11級。由圖8可知,5# 區域的 組織為魏氏體,晶粒度為9級,該組織主要是由過熱的低碳鋼在較大的冷卻速率下形成的。由圖9可 知,6# 區域凹坑附近的組織變化明顯,由晶粒粗大 的魏氏體向晶粒細小的鐵素體及珠光體轉變。此 外,凹坑附近存在較多的黑色規則圓形物質,且凹坑 表面覆蓋了一層灰色物質。

1.5 掃描電鏡(SEM)和能譜分析 

采用掃描電鏡對圖1d)中圓圈標記區域進行 掃描電鏡和能譜分析,各分析位置和能譜圖如圖 10所示。由圖10可知:缺陷管外表面凹坑處的黑 色蜂窩狀物質含有Ti、Si、Na、K、Ca等元素,進而可以判斷出黑色物質為焊渣的堆積,其主要成分為 TiO2。 

對圖9b)中方框標記處進行SEM 和能譜分析, 形貌如圖10b)所示,能譜圖如圖10e)所示。由圖 10e)可知,凹坑附近的規則圓形物質主要成分為 FeO,判斷其為D類夾雜物,這種夾雜物會使金屬產 生熱脆性[8]。對圖9b)中圓圈標記處進行SEM 和 能譜分析,形貌如圖10c)所示,能譜圖如圖10f)所 示。由圖10f)可知,凹坑表面覆蓋的灰色物質為焊 接時殘留的焊劑。 

1.6 硬度測試 

采用萬能硬度計對圖2中1# 區域進行橫向硬 度測試,對3# ,4# ,5# ,6# 區域進行縱向硬度測試, 缺陷管不同區域的維氏硬度測試結果如表2所示, 由表2可以看出:3# 區域到5# 區域的維氏硬度呈 增大趨勢,5# 區域到6# 區域的維氏硬度呈下降 趨勢。 

2 綜合分析 

缺陷管正常區域的化學成分、顯微組織及硬度 符合 ASMESA192/192M—2021的要求。 

由宏觀觀察和尺寸測量結果可知:缺陷管內表 面存在凸起的流線狀缺陷,產生原因為軋管工藝不 當;缺陷管外表面縮徑為制管完成后產生的,這是因 為鋼管終軋溫度低于900℃,不會產生局部的高溫 熔融。

由金相檢驗和硬度測試結果可知:內表面凸起 區域不存在潛在的金屬變形流線,但在焊接高溫區 域存在過熱的魏氏體,且從正常區到高溫區,硬度呈 增大趨勢。由能譜分析結果可知,缺陷管外表面凹 坑和孔洞處存在堆積的焊渣,且在高溫向正常區域 過渡的凹坑附近,有氧化物夾雜和殘留的焊劑。

3 結論及建議 

缺陷管漏水的主要原因為:焊接時的高頻電流 集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表 面局部受熱嚴重,出現過燒缺陷。過燒缺陷導致鋼 管外表面產生大量堆積的焊渣,這些焊渣與鋼管基 體材料的熱膨脹系數相差很大,會使材料產生很大 的內應力[9],降低了外表面的塑性和韌性,進而促使 表面凹坑和孔洞的形成[10]。 

建議焊接時選用合適的焊接工藝參數,減小輸 入功率,提高焊接速率,避免產生過燒現象;同時也 可采用焊前預熱及焊后保溫的方式,使表面溫度緩 慢降低。

參考文獻: 

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[4] 劉寶林,鄭準備,郭松濤,等.300MW 機組回轉式空 氣預熱器倉格板開裂原因分析[J].理化檢驗(物理分 冊),2016,52(2):128-132. 

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[8] 龔桂仙.鋼鐵產品缺陷與失效實例分析圖譜[M].北 京:冶金工業出版社,2012. 

[9] 趙志農.腐蝕失效分析案例[M].北京:化學工業出版 社,2009. 

[10] 肖超情.鍋爐水冷壁管焊接缺陷的成因及解決辦法 [J].石油化工建設,2012,34(6):79-81.

<文章來源> 材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 6期 (pp:10-14)>