圖 1斷口整體及局部微觀形貌
近年來，燃氣機組具有良好的調峰能力與清潔排放水平，越來越受到廣泛關注[1-2]。燃氣機組的余熱鍋爐壓力等級較高，受壓元件長期處于高溫、高壓的運行環境下，承受著復雜多變的工作壓力和交變應力。因此，對相關設備的材料、焊接結構、制造工藝及檢驗方法等均有較高要求。
高溫過熱器集箱為過熱蒸汽的匯集部件，存在大量高溫過熱管與集箱的角接接頭，其角焊縫的焊接質量直接影響了系統運行的穩定性[3-4]。
江蘇省某460 MW燃氣輪機某高溫過熱器集箱角焊縫發生多處開裂，管子材料為12Cr1MoVG鋼，規格為32 mm×2.79 mm（外徑×壁厚）。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了焊縫開裂的原因，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 金相檢驗
在斷口處截取并制備試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，其斷口微觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷口內外壁均存在明顯氧化膜，且外壁氧化膜較厚，說明該處已經開裂較長時間，裂紋由外壁起始，并不斷向內壁擴展。開裂兩側存在多處微裂紋，裂紋內存在氧化夾雜物。
將斷口試樣進行腐蝕，再將其置于光學顯微鏡下觀察，結果如圖2~3所示。由圖2~3可知：開裂處主要位于焊縫熱影響區和粗晶區，起始區域位于焊縫熔合線附近，存在多處沿晶微裂紋；焊縫存在淬硬的馬氏體；母材區域組織為鐵素體+珠光體，球化級別為3級，未見明顯組織過熱特征。
圖 2腐蝕后斷口附近及焊縫顯微組織形貌
圖 3母材顯微組織形貌
1.2 力學性能測試
對試樣進行小負荷維氏硬度測試，結果如圖4所示。從開裂處向母材處一共測試了25個點，兩點間間距為0.3 mm。點1~11的硬度為焊縫硬度，點12~25的硬度為熱影響區及母材硬度。
圖 4開裂焊縫附近維氏硬度測試結果
焊縫最高硬度為354 HV，遠離斷口母材處的硬度為196 HV，開裂兩側硬度為330 HV，焊縫的硬度高于母材100 HV以上，結果不符合DL/T 869—2021《火力發電廠焊接技術規程》的要求。
2. 綜合分析
該高溫過熱器集箱焊縫熱影響區的硬度、組織不符合標準要求，硬度超過標準值100 HV，且焊縫存在淬硬的馬氏體（DL/T 869—2021中要求焊縫及熱影響區不應存在淬硬的馬氏體及微裂紋），焊接質量不佳。裂縫附近存在多處微裂紋，應為開裂過程中的次生裂紋。母材組織為鐵素體+珠光體，組織球化級別為3級，母材的組織符合標準要求。
該機組高溫過熱器集箱采用插入式接管，管子壁厚與集箱壁厚相差較大，且集箱接管開孔均為偏置直通孔，開孔中心線與集箱中心線不交叉，導致角焊縫空間形態為半馬鞍形，焊接難度與應力集中系數較大。上集箱角焊縫除受到工質內壓力外，還需承受下部結構（包括下集箱）的重力，如存在應力分布不均的情況，易造成部分管段承載異常。下側管子長度約為21 m，當發生升溫和降溫速率過大、膨脹受阻的情況時，集箱角焊縫位置容易發生承載異常。現場擴大檢查范圍發現，多處開裂集箱角焊縫均位于煙氣擋板固定抱箍的固定管上，在鍋爐啟停及調峰過程中，煙氣流場會發生突變，煙氣擋板會承受交變應力，并通過抱箍傳遞到高溫過熱器管段上，從而造成角焊縫處承受交變載荷[5]。
角焊縫的疲勞性能主要與應力幅值、焊接質量和初始安裝應力有關，當應力幅值較大時，焊接質量的影響變小，而當應力幅值較小時，焊接質量的影響變大，焊縫的組織與硬度均不合格，這使得其實際壽命遠短于理論計算壽命[6-7]。
斷裂過程材料主要承受交變應力，焊接質量不佳促進了裂紋的形成與快速擴展。對高溫過熱器集箱結構進行分析，集箱與管間剛度差別大，在角焊縫根部容易產生應力集中，使該處成為管路的薄弱環節。現場檢查發現與多處開裂角焊縫連接的高溫過熱器管均有固定的煙氣擋板，煙氣擋板引起的交變應力是角焊縫的異常應力來源。此外，角焊縫還承受了下集箱與管道的重力、調峰造成的熱應力及膨脹不暢造成的應力。
3. 結語與處置措施
焊接質量不佳、焊縫硬度偏高及組織異常促進了裂紋的形成與擴展，這是焊縫開裂的內在原因。煙氣擋板帶來的交變應力與結構應力、熱應力共同構成應力來源。建議采取以下措施預防焊縫再次開裂。
（1）擴大檢查范圍，對過熱器系統集箱的角焊縫進行磁粉或滲透檢測，及時更換開裂管段。
（2）加強換管前后的質量監督，該部位焊接難度大，易于形成焊接缺陷，在換熱管熱處理完成24 h后應對其進行無損檢測。
（3）對現場焊接接頭進行硬度測試，硬度超出標準規定的要進行返修。
（4）重點檢查煙氣擋板附近角焊縫的開裂情況，必要時更改煙氣擋板的固定形式，避免管段異常受力。
文章來源——材料與測試網