摘 要:某６６０MW 高壓加熱器的筒體接管角焊縫在焊接過程中發(fā)生開裂并擴展至筒體母材.對其進行了宏觀檢驗、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析,以分析開裂原因.結(jié)果表明:接管與筒體角焊縫根部成形不良,存在夾渣氣孔等焊接缺陷;在焊接應力、結(jié)構(gòu)拘束應力的作用下,焊接缺陷處產(chǎn)生應力集中,裂紋從此處萌生并擴展開裂.采用了與筒體返修開口尺寸匹配的整體鍛件返修方案,強度計算滿足設計要求,并一次返修合格。

關鍵詞:高壓加熱器;接管;角焊縫;裂紋;缺陷;返修

中圖分類號:TG４０１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５１９Ｇ０５

ReasonAnalysisonCrackingoftheFilletWeldingSeamofthe６６０MWHighPressureHeaterNozzleRENXiaohu,CHENMing,XIEXiaoyuan,PENGFangfang,XIAODongping

(DongfangBoilerGroupCo．,Ltd．,DongfangElectricCorporation,Deyang６１８０００,China)

Abstract:Thefilletweldingseamofthe６６０MWhighpressureheaternozzlecrackedandthecracksextendedtothebase materialofthecylinderintheprocessofwelding．Theweldseamwasexaminedbymacrographicexamination,hardnesstesting,metallographicexamination,scanningelectronmicroscopeandenergyspectrumanalysistoanalyzethecrackingreasons．Theresultsshowthat:theformationwasbadatthefilletweldrootofthenozzleandcylinder,andtherewereweldingdefectssuchasslag,porosityandsoon;undertheactionofweldingstressandstructuralrestraintstress,stressconcentrationgeneratedonthepositionofweldingdefects,whichledtocrackinitiationandpropagation．Theintegralforgingschemewhichmatchedwiththerepairinggapofthecylinder

wasadopted,andtheforgingstrengthcalculationcouldmeetthedesignrequirementsandtherepairhadbeensuccessfullydoneatthefirsttry．

Keywords:highpressureheater;nozzle;filletweldingseam;crack;defect;repair

高壓加熱器是利用來自汽輪機的抽汽加熱鍋爐給水,使給水達到所要求的溫度,從而提高電廠的熱效率和保證機組出力,同時確保機組高效、安全、經(jīng)濟運行[１].

某６６０ MW 高壓加熱器在焊接筒體接管角焊縫過程中,發(fā)現(xiàn)接管邊上筒體母材有貫穿性裂紋.

從筒體內(nèi)部看到的裂紋形貌如圖１a)所示,兩條裂紋分別編 號 為 １ 號 和 ２ 號,１ 號 裂 紋 內(nèi) 壁 長 度 約１００mm,２號裂紋內(nèi)壁長度約１７０ mm.筒體母材材料為SAＧ５１６Gr７０鋼板,壁厚為１２０ mm,接管材料為 １６MnII鋼 鍛 件,規(guī) 格 為 外 徑 １６５ mm、內(nèi) 徑４５mm.筒體和接管的坡口形式見圖１b),坡口采用氣割開孔,并采用砂輪打磨坡口使其呈現(xiàn)金屬光澤.接管焊接采用手工焊,焊條材料為 CHE５０７R(標 準 牌 號 NB/T ４７０１８ E５０１５),焊 條 在 ３５０~４００ ℃下烘干１~１．５h,焊接工藝參數(shù)見表１,焊后立即進行焊后熱處理(２００~２５０ ℃,２~３h),筒體母材、接管、焊條均經(jīng)入廠驗收合格.

為了查明筒體裂紋產(chǎn)生的原因,確保后續(xù)返修成功,避免再次出現(xiàn)同類問題,筆者對筒體裂紋區(qū)域取樣進行了理化檢驗和分析。

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

選取１號裂紋作為研究對象,分析裂紋的產(chǎn)生原因.取下的裂紋試樣內(nèi)壁形貌如圖２所示,試樣包含接管、角焊縫和筒體,以及起始于角焊縫并終止于筒體母材的裂紋.

圖２ １號裂紋試樣形貌

Fig.２ MorphologyofNo.１crackspecimen

將圖２所示裂紋試樣沿白色實線切開,對切開的截面進行打磨并酸蝕,形貌如圖３a)所示.可以看出:左邊存在兩處起源于角焊縫根部的細小裂紋,見圖３a)中黑色箭頭所指;角焊縫根部存在大量夾渣、氣孔等缺陷,見圖３a)中白色箭頭所指;另外還有一條幾乎貫穿角焊縫的裂紋,應當為１號裂紋的延伸.將圖２所示裂紋試樣沿白色虛線切開,可見其截面上存在一條沿筒體母材厚度方向的貫穿性裂紋,如圖３b)所示,該裂紋為１號裂紋在母材上的延伸裂紋.

圖３ １號裂紋試樣解剖后的截面形貌

Fig.３ SectionmorphologyofNo.１crackspecimenafterdissection

a cutalongthesolidlineofFig.２

b cutalongthedottedlineofFig.２

將圖３所示裂紋打開,再按原位置拼接,斷口形貌如圖４a)所示.根據(jù)斷口形貌,可以判斷裂紋的擴展方向,其中標示f１和f２兩處裂紋源,f１位于角焊縫根部,距離筒體內(nèi)壁約２０mm.f１局部形貌見圖４b),可以看出裂紋從角焊縫根部f１處萌生后沿角焊縫向筒體外壁方向擴展,擴展方向如圖４b)中白色箭頭所示.f２位于筒體母材與角焊縫的熔合線位置,距離筒體外壁約１９mm.筒體母材與角焊縫的熔合線呈現(xiàn)出類似剪切唇的“突變”式臺階,可以看出,裂紋從f２處在筒體母材內(nèi)從外壁沿內(nèi)壁方向擴展.從上述觀察結(jié)果判斷,裂紋源為f１處,在焊縫內(nèi)向外壁方向擴展,在f２處發(fā)生轉(zhuǎn)折,擴展至筒體母材.

圖４ １號裂紋斷口形貌

Fig.４ FracturemorphologyofNo.１cracka overallmorphology b morphologyofthef１cracksource

１．２ 硬度測試

從f１和f２裂紋源位置取樣,對焊縫、母材、熱影響區(qū)分別進行硬度測試,結(jié)果如表２所示.對比

f１和f２兩處裂紋源位置的硬度,可以看出兩處位置的母材及熱影響區(qū)的硬度基本一致,但f１處的焊縫硬度遠低于f２處的.這是由于f１位置為打底焊,需要預熱１００~１５０ ℃,焊接后焊縫金屬冷卻較慢;f２位置為蓋面焊道,焊后冷卻較快,因而f２位置焊縫硬度較高.表２ f１和f２裂紋源區(qū)域硬度測試結(jié)果。

１．３ 金相檢驗

在f１裂紋源位置制取金相試樣,采用４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液進行侵蝕,微觀組織形貌如圖５所示.焊縫及熱影響區(qū)組織為鐵素體＋珠光體,熱影響區(qū)組織中的珠光體相對較多,與焊縫及熱影響區(qū)的硬度相匹配.

１．４ 掃描電鏡及能譜分析

圖５ 焊縫及熱影響區(qū)的顯微組織形貌

Fig.５ Microstructuremorphologyoftheweldingseamandheheataffectedzonea weldingseam b heataffectedzone

如圖６所示,可以看出f１裂紋源處有異物存在.對該異物進行能譜分析,結(jié)果如圖７所示,結(jié)果表明其含有較多碳、氮、氧、硫元素,可以判定該異物為夾渣類缺陷.夾渣出現(xiàn)的位置易形成裂紋源,導致在其周圍形成解理斷口,使焊接接頭開裂失效[２].

Fig.６ Morphologyofthef１cracksourcea macromorphology b slagdefectinthecracksource