1、 2020-1-锅 炉 受 热 面 定 位 块 角 焊 缝 失 效 分 析 研 究 范志东,周明2,周陈龙1,严 新 平2,张志博1,马 翼 超1,牛坤11.西 安 热 工 研 究 院有 限 公 司，陕 西 西安 710054 大 唐 秦 岭 发 电 有限 公 司，陕 西 渭南 714206 FAILURE ANALYSIS OF FILLET WELD BETWEEN POSITIONING BLOCK AND HEATING SURFACE TUBES IN A BOILER FAN Zhidong1,ZHOU Ming2,ZHOU Chenlong1,YAN Xinping2,ZHANG
2、 Zhibo1,MA Yichao1,NIU Kun1.1.X i a n Thermal Power Research Institute Co.,Ltd,Shanxi,X i a n,710054,China.2.Datang Qinling Power Generation Co.Ltd.,Shanxi,Weinan,714206,China.摘要：超（超）临 界 火 电 机 组 锅 炉 高 温 段 有 大 量 异 种 钢 焊 缝，其 焊 接 质 量 直 接 影 响 机 组 的 安 全 可 靠 运 行。近 期，某 超 临界锅炉在运行期间出现 TP347H-ZG1Cr20Ni14Si2 型
3、 异 种 钢 定 位 块 角 焊 缝 开 裂 现 象。本 文 通 过 宏 观 形 貌、化 学 成 分 分 析、显 微 组 织、显 微 硬 度 等 方 法，对 其 泄漏管样进行失效分析。结 果 显 示：管 样 主 裂 纹 萌 生 于 定 位 块 角 焊 缝 内 侧，并 在 角 焊缝的热影响区内粗晶区向管内壁扩展；定位块角焊缝的外观成形较差，角焊缝内侧存在未焊透且性能存在一定的劣化是导致角焊缝开裂的主要原因。关键词：定 位 块 角 焊 缝；高 温 再 热 器；失 效 分 析；ABSTRACT:There are a lot of different kinds of steel welds in
4、the high temperature section of the super(super)critical thermal power unit boiler,the welding quality of which directly affects the safe and reliable operation of the unit.Recently,the fillet weld cracking of TP347H-ZG1Cr20Ni14Si2 dissimilar steel positioning block occurred in a domestic supercriti
5、cal boiler during operation.In this paper,the cracking reasons were analyzed and studied by means of macroscopic morphology,chemical composition analysis,microstructure and hardness analysis.Results show that The main crack of the tube sample originated from the inner side of fillet weld and expande
6、d to the inner wall of the tube in the heat-affected zone of fillet weld.The appearance of fillet weld of positioning block is poor.The inside of fillet weld has no penetration and the performance has some deterioration,which are the main causes of fillet weld cracking.KEY WORD:positioning block fil
7、let weld;high temperature reheater;failure analysis.0 引言 近 年 来，火 电 机 组 重 要 管 道 和 高 温 集 箱 上 热工 仪 表 管、疏 水 管 及 排 空 气 管 等 管 座 角 焊 缝 开 裂泄 漏 事 故 频 繁 发 生1-2。多 数 接 管 座 角 焊 缝 开 裂 除由 焊 接 缺 陷 引 起 外，还 与 管 道 材 质、焊 接 接 头 结构 及 热 应 力 等 因 素 有 关3-8。2020 年 4 月 某 电 厂 超 临 界 锅 炉 在 运 行 期 间 发生 高 温 再 热 器 管 样 定 位 块 角 焊 缝 开 裂
8、 现 象。该 角焊 缝 焊 接 部 位 由 TP347H 不 锈 钢 和ZG1Cr20Ni14Si2 铸 钢 焊 接 组 成。本 文 以 开 裂 样 品为 例，对 超 临 界 锅 炉 异 种 钢 角 焊 缝 开 裂 原 因 进 行研 究 分 析。1 理 化 检 验 分 析 1.1 宏 观 形 貌 分析 从图 1 可以看到管样外壁有一不规 则的破口，破 口 边 缘 尖 锐，有 明 显 的 减 薄：经 测 量 得 破口 处 最 薄 壁 厚 仅 为 0.60mm，而管样的壁厚为4.21mm，减 薄 率 为 85.7%，该 破 口 为 高 温 蒸 汽 长时 间 吹 损 所 致。使 用 线 切 割 机
9、切 开 管 样 可 知，滑动定位块角焊缝的内壁存在一条沿轴向的长约60.00mm 的 裂 纹，而 定 位 块 角 焊 缝 长 约 66mm。初 步 推 断 裂 纹 由 外 向 内 扩 展。对 管 样 内 外 壁 进 行渗 透 检 测（图 2），未 见 其 他 裂 纹。2020-2-图1 管样宏观形貌观察 Fig.1 Macroscopic morphology observation of tube samples.图2 试样渗透检测 Fig.2 Sample penetration detection1.2 化学成分分析 对 管 样 母 材 段 和 滑 动 定 位 块 进 行 化 学 成 分
10、 分析，其 中 C、S 元 素 用 碳 硫 分 析 仪 测 量，其 它 元素 均 使 用 ICP-AES 全 谱 直 读 等 离 子 体 发 射 光 谱分 析 仪 测 量，其 结 果 如 下 表 所 示。从 表 1 中 可 知，高 再 管 样 各 主 要 元 素 均 在 标 准 ASME SA-213 所规 定 的 范 围 内9，从 表 2 可 知，滑 动 定 位 块 各 元素 均 在 标 准 所 规 定 的 范 围 内10-11表1 管样化学成分分析结果（wt,%）Tab.1 Chemical composition of the sample tube（wt,%）元素 C Si P S M
11、n Cr Ni 管样 0.073 0.36 0.027 0.013 0.68 18.69 10.52 ASME SA-213 0.04-0.10 1.0 0 0.0 4 5 0.0 3 0 2.0 0 17.0-19.0 9.00-13.00 表2 定位块(ZG1Cr20Ni14Si2)化学成分分析结果（wt,%）Tab.2 Chemical composition of the positioning block（wt,%）.元素 C Si P S Mn Cr Ni 定位块 0.16 1.87 0.026 0.015 1.07 19.96 12.12 GB/T 8492-2014 0.15-
12、0.35 1.0-2.5 0.0 4 0 0.0 3 0 2.0 19-21 13-15 GB/T1221-2007 0.20 1.5-2.5 0.0 4 0 0.0 3 0 1.5 0 19.0-22.0 12.0-15.0 1.3 金相组织分析 在 管 样 远 端 和定 位 块 焊 缝裂 纹 末 端 各 制取(a)(b)(a)(b)2020-3-一 个 金 相 样 品，经 打 磨 抛 光，使用 FeCl3溶 液腐蚀 后 通 过 Nikon Eclips Ma200 型 金 相 显 微 镜 对 各区 域 的 组 织 形 貌 进行 观 察，其 金 相 照 片 如 图 3、4所 示。远 端 的
13、母 材TP347H 为 典 型 的 奥 氏 体 不 锈 钢组 织；通 过 管 样 剖 面 低 倍 照 片 可 见，定 位 块 角 焊缝 内 侧 存 在 明 显 的 未 焊 透；定 位 块 角 焊 缝 区 域，近 TP347H 侧 熔 合 线 清 晰 可 见，离 管 内 壁 仅 1mm，焊 缝 熔 深 较 深，且 焊 缝 热 影 响 区 中 的 粗 晶 区 宽 度也 超过 1mm，同 时 在 热 影 响 区 中 的 粗 晶 区 晶 界 上可 观 察 到 大 量 碳 化 物，局 域 甚 至 形 成 链 状。说 明在 焊 接 过 程 中 焊接 线 能 量 较 大。裂 纹 位 于 角 焊缝 近 管 子
14、 侧的 热 影 响 区 粗晶区 内，且 裂 纹 外 侧 部 分 开 度 大 于 其 内 壁 部 分，推断 其 由 外 壁 向 内 壁 倾 斜 扩 展。裂 纹 扩 展 呈 穿 晶 扩展 模 式，裂 纹 表 面 可 见 厚 度 明 显 的 氧 化 层，说明裂 纹 的 扩 展 经 历 了 较 长 的 时 间。图3 远端各位置组织形貌(a:外壁，b:中间，c:内壁)Fig.3 The tissue morphology of each distal position.(b)(a)(c)(a)(b)2020-4-图4 定位块焊缝各位置金相组织(a:取样位置,b:低倍形貌,c:定位块,d:焊缝,e:熔合线
15、,f:粗晶区,g:细晶区.)Fig.4 Metallographic structure of each position of welding seam of positioning block4 维氏硬度测试 使 用 线 切 割 机 设 备，在 远 端、定 位 块 焊 接 裂纹 末 端、焊 缝、定 位 块 母 材 各 取 一 个 样 品，对 所取 样 品 的 各 区 域 进 行 维 氏 硬 度 测 试。测 试 仪 器 为HVS-50Z/LCD 数 显 维 氏 硬 度 计，参 数 设 置 为 载 荷5kgf，保 载 15s。测 试 结 果 如 下 表 所 示，管 样 远 端及 定 位 块 角
16、 焊 缝 的 维 式 硬 度 值 符 合 标 准 规 定，定位块角焊缝近管子侧热影响区的显微维氏硬度值，尤 其 是 粗 晶 区 的 显 微 维 氏 硬 度 值，略 高 于 标准 规 定 的 上 限。(c)(d)(e)(f)(g)2020-5-图5 管样维氏硬度测试结果(a.母管，b.定位块角焊缝)Fig.5 Vickers hardness tests on the tube sample2 综 合 分 析 通 过 对 管 样 的 分 析 可 知，管 样 主 裂 纹 萌 生 于定 位 块 角 焊 缝 内 侧，并 在 角 焊 缝 近 管 子 侧 的 热 影响 区 粗 晶 区 内 向 管 内 壁
17、扩 展。管 样 的 外 观 尺 寸、化 学 成 分、显 微 组 织、维氏 硬 度 等 方 面 的 检 测 结 果 显 示，管 样 中 的 母 材 质量 符 合 标 准 要 求，但 是 定 位 块 角 焊 缝 的 质 量 较 差。根 据 设 备 厂 家 提 供 的 图 纸，定 位 块 角 焊 缝 应 为 全焊 透 形 式，但 角 焊 缝 内 侧 存 在 未 焊 透 缺 陷，容 易形 成 应 力 集 中,导 致 组 织 稳 定 性 差，蠕 变 塑 性 差，增 大 裂 纹 萌 生 几 率，加 速 裂 纹 扩 展12-14。此外，焊 接 过 程 中 较 大 的 焊 接 线 能 量，造 成 角 焊 缝
18、熔 深及 热 影 响 区 的 范 围 较 宽，同 时 导 致 焊 缝 热 影 响 区尤 其 是 粗 晶 区 的 性 能 出 现 一 定 的 劣 化。定 位 块 的 作 用 主 要 在 于 防 止 受 热 面 管 出 列，确 保 管 子 间 膨 胀 协 调；在 阻 止 邻 近 管 子 出 列 过 程中，L 定 位 块 承 受 横 向 力 矩，角 焊 缝 则 作 为 弯 曲力 矩 节 点，内 侧 为 拉 应 力 而 外 侧 呈 压 应 力，从 而造 成 角 焊 缝 内 侧 更 易 开 裂。图7 定位块角焊缝受力示意图（a.邻近管子出列时受横向力矩；b.管子背离时受径向拉力）Fig.7 Schema
19、tic diagram of fillet weld of positioning block 3 结论 通 过 对 某 超 临 界 锅 炉 高 温 再 热 器 管 样 的 外 观形 貌、化 学 成 分、显 微 组 织、显 微 硬 度 等 方 面 的分 析，得 出 如 下 结 论：（1）管 样 主 裂 纹 萌 生 于 定位 块 角 焊 缝 内 侧，并 在 角 焊 缝 的 热 影 响 区 内 粗 晶区 向 管 内 壁 扩 展；（2）定 位 块 角 焊 缝 的 外 观 成 形较 差，角 焊 缝 内 侧 存 在 未 焊 透 且 性 能 存 在 一 定 的劣 化 是 导 致 角 焊 缝 开 裂 的 主
20、 要 原 因。(a)(b)(a)(b)2020-6-参 考 文 献 1 乔永生,曹 银 觥,刘 福 广,曹 艳 萍,曹 兰 敏.超 临 界 锅 炉 主 蒸 汽管道取样管焊缝开裂原因及优化 措施J.焊管，2018,41(11):55-59.2 章 应 霖,杨 厚 君,吕文广,等.电站 F/A 异 种 钢 接 头 早 期 失 效及 其 防 治 措 施J.武 汉 大 学 学 报，1998，31(1)：83-87.3 邓辉.高 温 再 热 器 出 口 联 箱 管 座 角 焊 缝 开 裂 原 因 分 析J.华电技 术，2019,41(8):74-80.4 窦 旺，邹 恩 林 变 频 器 在 电 厂 工
21、业 水 系 统 节 能 改 造 中 的 应 用J 华 电 技 术，2009，31(5):76 77 5 王宏军,窦怀武,岳 永 久,等#4 炉 主 蒸 汽 取 样 一 次 门 前 仪 表管 管 座 角 焊 缝 裂 纹 原 因 分 析 及 处 理J 电 焊 机，2010,40(2):5860 6 姜磊,罗 维祺,黄浩,等.超临 界锅 炉 四大 管 道管 座角 焊 缝裂纹 分 析 及 预 防J.特 种 设 备 安 全 技 术，2017(4):7 9 7 王 智 春，李 炜 丽，蔡 文 河，等 超 临 界 锅 炉 过 热 器 联 箱 管 座断 裂 原 因 分 析J 华 北 电 力 技 术，2010(
22、10):42 44 8 王 翱.火电 厂管 座角 焊缝 开裂 事 故案 例 介绍 及原 因分 析J.科 技 创 新，2017(25):77-78.9 美 国 机 械 工 程 师 协 会.锅 炉 及 压 力 容 器 国 际 性 规 范 材料 A 篇铁 基 材 料:ASME SA-213S.美 国：IHS，2017.10 中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会.一 般 用 途 耐 热 钢 和 合 金 铸 件:GB/T 8492-2014S.北 京：中 国 标 准 出 版 社，2014.11 中 国 国 家 标 准化 管 理 委员 会.耐 热钢棒：GB/T1221-2007S.北 京：中 国
23、 标 准 出 版 社，2007.12 任爱,赵灿,范长 信,等.电站 高温 锅 炉管 奥 氏体 异种 钢 焊接接 头 失 效 方 式 研 究J.热 力 发 电,2003,32(8):27-31.13 张 宗 来.电 站 锅 炉 12Cr1MoVG/TP347H 异 种 钢 接 头 断 裂 分 析J.热 力 发 电,2017,46(5):132-136.14 王伟,王学,钟 万 里,等.超 超 临 界 锅 炉 高 温 再 热 器 T91/HR3C异 种 钢 接 头 失 效 分 析J.中 国 电 力.2014,47(4):5-8.作 者 简 介：范 志 东（1984-），男，河 北，博 士，火 力 发 电 金 属 技 术 监督、失 效 分 析 等 工 作。
