圖 1 開裂換熱管的宏觀形貌
分享：鍋爐換熱管開裂原因
某單位在對鍋爐換熱管進行裝配過程中,發(fā)現(xiàn)前水冷管組上部靠近彎管區(qū)域的管子和扁鋼角焊縫處發(fā)生開裂現(xiàn)象?，F(xiàn)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(fā)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。
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(fā)現(xiàn)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。
Table 1. 開裂換熱管的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數(shù) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | P | S | |
| 實測值 | 0.22 | 0.91 | 0.20 | 0.008 7 | 0.002 1 |
| 標準值 | ≤0.35 | 0.29~1.06 | ≥0.10 | ≤0.035 | ≤0.035 |
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(xiàn)象,2號焊縫根部未焊透現(xiàn)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(xiàn)象,2號焊縫有明顯的焊接缺陷；1號焊縫的焊趾處發(fā)現(xiàn)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(qū),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(nèi)表面擴展；焊縫過熱區(qū)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。
Table 2. 非金屬夾雜物評級結果
| 項目 | A類 | B類 | C類 | D類 | DS類 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | ||
| 實測值 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 |
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(qū)、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(qū)的硬度遠高于母材的硬度。
Table 3. 開裂換熱管的維氏硬度測試結果
| 測試位置 | 實測值 | 平均值 |
|---|---|---|
| 焊縫 | 274,267,269 | 270 |
| 熱影響區(qū) | 453,463,454 | 457 |
| 母材 | 166,170,167 | 168 |
1.5 掃描電鏡（SEM）分析
采用場發(fā)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(qū)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(xiàn)象,且熱影響區(qū)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(yōu)先在馬氏體等高組織應力的區(qū)域產(chǎn)生,并不斷擴展,最終導致?lián)Q熱管發(fā)生開裂[1]。
經(jīng)過調(diào)查,焊接時焊縫位置及近焊縫區(qū)域的加熱溫度可達1 350 ℃,使近焊縫區(qū)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(qū)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(xiàn)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(chǎn)生裂紋,而換熱管焊縫區(qū)域的馬氏體和焊接缺陷使材料的脆性變大,導致材料產(chǎn)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(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋等焊接缺陷,在裝配過程中產(chǎn)生應力集中,且焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)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?lián)Q熱管發(fā)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(qū)域施焊,焊后對焊縫位置加蓋,防止焊縫驟冷,避免出現(xiàn)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(wǎng)
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