锅筒内壁裂纹原因分析

■ 张杰，吴继权

1. 概述

2017年4月，在某厂锅炉内部检查时，在锅筒环焊缝处发现多条焊缝裂纹。该锅筒有7条环焊缝，两边靠近封头位置的两条环焊缝为焊条电弧焊焊缝，其余的中间5条环焊缝为埋弧焊焊缝。埋弧焊焊缝由三条焊道组成，每条焊道宽约20mm。经荧光磁粉检测，发现裂纹均存在于埋弧焊的焊缝上，共计20条不等（部分裂纹见图1）；裂纹走向不一，其中以纵向居多（平行于环焊缝）；裂纹分布区域有焊道表面、熔合线；裂纹长度为10~70mm，深度为1~14mm。

受检锅筒于2007年投入使用，规格为1900mm×105/50mm×1 5 2 1 8 m m；标称材质为SA516Gr70；支座型式为鞍式；工作压力为10.22MPa（高压）、3.48 MPa（中压）、0.37 MPa（低压）；工作温度为540℃（高压）、276.2 ℃（中压）、248℃（低压）；最大蒸发量为276.7t/h（高压）、41.7t/h（中压）、48.5t/h（低压）。运行到目前为止，该锅炉累计启停1000余次。

为找出焊缝裂纹的形成原因，同时避免因取样对锅筒造成无法修复的损伤，故在焊缝余高处取小片样品，并在取样后将焊缝磨平。最后将小片试样带回试验室进行理化检测及分析。

2. 理化检测

利用外力将样品分成4段，分别记为1#~4#，其中1#~3#作为截面分析样品，4#作为金相分析样品。

（1）金相分析 4#试样进行镶嵌、打磨、抛光后置于显微镜下进行观察，焊缝内部夹杂情况无异常。

将抛光态的焊缝试样经4%的硝酸酒精溶液浸蚀后置于金相显微镜下进行观察，金相组织如图2所示。由图2可见：焊缝金相组织为块状铁素体+板条状马氏体+粒状贝氏体，组织分布不均。

（2）硬度测试 将金相试样经打磨、抛光后，进行显微维氏硬度试验，试验贯穿试样整个表面，试验结果如附表所示，硬度值在261~481HV之间，硬度分布不均。

图1 裂纹形貌

（3）截面分析 将试样1#~3#分别置于扫描电子显微镜中进行观察。结果发现：焊缝截面微观形貌均为等轴韧窝形貌（见图3），韧窝内部存在球状颗粒。对球状颗粒进行能谱分析，通过能谱分析可知，球状颗粒应为含有Mg、Al元素的氧化物及含有Fe、Mn元素的硫化物。对基体进行能谱分析，由能谱分析可知焊缝中含有Ni、Mn、Al、Mg等合金元素。

3. 综合分析

通过了解锅筒使用工况可知，锅筒在运行过程中承受多种载荷。其中主要有：①机械应力，包括正常运行条件下的稳定压力、启停过程中的压力升降。②热应力，包括在正常运行条件下由部件壁温差产生的稳定热应力，在变化工况下由部件壁温的变动温差引起的定期变化的热应力，以及在部件的个别部位由壁温波动引起的频率较大的交变热应力。

图2 金相组织（1000×）

对锅筒内壁侧环焊缝裂纹检查可知，裂纹均存在于埋弧焊的焊缝上。通常埋弧焊的焊接效率高于焊条电弧焊（埋弧焊接过程中焊道的冷却速度高于焊条电弧焊），从而说明焊接过程中的冷却速度影响焊缝质量。从裂纹走向、裂纹分布情况、裂纹尺寸三个方面可以看出，裂纹的形成是不具有规律性的，并且裂纹均在焊缝表层形成。

通过焊缝截面分析可知：焊缝截面为韧窝形貌，韧窝内有氧化物及硫化物颗粒存在，这些均属正常现象，同时截面上大量的韧窝形貌表明焊缝材料韧性较好。结合焊缝显微镜下抛光态形貌同样可知，焊缝内部夹杂情况无异常。

为保证焊接性能，通常锅筒用锅炉钢为低碳钢或低合金钢，这类钢的组织为铁素体加珠光体或者索氏体组织。但由焊缝的金相组织可知，组织中含有块状铁素体、板条状马氏体、粒状贝氏体，并且分布不均匀。马氏体组织的存在，对引起焊缝裂纹较为敏感，而贝氏体的存在，则会提高对裂纹的敏感性；材料中组织种类越多，分布不均匀，则形成的组织应力就越大。由于埋弧焊焊接过程中焊道的冷却速度高于焊条电弧焊，焊缝上表层焊道冷却速度高于底层冷却速度，所以马氏体相变容易在埋弧焊焊道表面形成。经过显微硬度测试，焊缝硬度为261~481HV0.05，波动较大（见附表），表明组织中硬度分布不均；400HV0.05以上的显微硬度印证组织中淬硬组织的存在。

综合以上分析可知：焊缝裂纹的形成主要与焊缝组织中的淬硬组织有关；焊缝组织中存在马氏体、贝氏体、铁素体等多种组织，产生较大组织应力，在后续机械应力、热应力的叠加作用下，焊缝发生延迟开裂。

4. 结语

焊缝作为锅筒中的一部分，其质量至关重要。在此，为了预防锅筒焊缝再次出现裂纹，锅筒焊缝在修补之后需对修补区域进行热处理，以减少组织应力。

[1] 张栋，等. 失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004：94-98.

图3 焊缝截面微观形貌