河北科技大学 河北石家庄 050018
摘要：某电厂300WMCFB锅炉低再弯管处的卡板异种钢角接头自投入商业运行后，在短时间内发生了开裂泄漏。受电厂委托，通过对角接头进行化学成分、金相组织、电镜扫描等试验与分析，得出造成角接头开裂的主要原因是异种钢焊接时不规范，在焊缝粗晶区内产生再热裂纹，裂纹在应力的作用下向管材扩展延伸造成弯管侧开裂泄漏。
关键词：CFB锅炉；弯管；异种钢；开裂；原因
1、引言
某电厂锅炉为DG1100/17.4-Ⅱ3型号300WM循环流化床锅炉，其尾部烟道由膜式中隔墙过热器管分成前后两个烟道，低温再热器管屏布置在前烟道内，由上中下三组、四圈绕水平管圈组成、顺列、逆流沿炉体宽度方向布置共102排。低温再热器管屏通过焊接在弯管处卡板悬挂于尾部烟道包墙上，使整个管束随后竖井包墙过热器一起膨胀。低再规格为Φ70×5mm，材质自上而下为12Cr1MoV、15CrMo、20G三种材质，卡板材质为1Cr20Ni14Si2，焊接在管束的上管圈下弯管处，为异种钢角焊缝。
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图1：泄漏部件宏观照片 图2：第36号表面裂纹宏观照片
低再一管组上管圈下弯头耳板角焊接接头短时间内先后发生5次开裂泄漏，开裂位置均位于低再上管组上管圈下弯头与卡板异种钢（12Cr1MoV+1Cr20Ni14Si2）角焊缝弯管侧熔合线处（见图1），为企业安全运行带来较大安全隐患和较大经济损失。
对泄漏管的相邻管进行扩大检查，发现相邻第36排角焊接接头也存在裂纹（见图2），第37排角焊接接头表面未发现裂纹缺陷。对第36号、37号弯头分别进行了成分、金相组织，电镜扫描等分析。
2、试验结果
2.1渗透检验及外观检查
对36号弯管角焊缝及相邻的弯管角焊缝打磨后进行渗透检验，发现36号弯头耳板与管子角焊缝熔合线位置一侧有长约100mm的裂纹，痕迹显示裂纹连续，没有张口，沿着角焊缝与管子母材熔合线开裂，其它相邻管屏角焊缝未发现裂纹。观察耳板角焊缝外观，发现焊缝波较粗糙，存在一定的咬边缺陷。
3.2化学成分分析
使用3460直读光谱仪对管子及耳板进行化学成分分析，管子的化学分析结果见表1，耳板的化学分析结果见表2。
表1 管子的化学成分 （%）
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表2 耳板的化学成分 （%）
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由表1可以看出弯管的化学分析结果符合GB5310标准对12Cr1MoVG的要求，由表2可以看出耳板的化学分析结果满足标准要求。
2.3金相组织检验
使用OLYMPUS-GX71金相显微镜对弯头焊缝及附近母材、热影响区进行金相观察，金相取样见图3、4，采用4%硝酸酒精和王水腐蚀，从2个试样腐蚀后的横截面观察，36号弯头试样上有3条明显的裂纹，除了已经开裂的裂纹1外，在旁边还发现裂纹2，在另一侧还发现裂纹3。37号试样宏观未见开裂现象。
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图3：36号弯头金相试样 图4：37号弯头金相试样
36号弯头试样裂纹1如图5所示，裂纹3如图6所示，裂纹2如图7所示，裂纹均在管侧热影响区粗晶区，靠近焊缝，沿晶开裂，裂纹1、3内均可见氧化皮，说明开裂时间较长，裂纹附近组织为粗大贝氏体，12Cr1MoVG与不锈钢焊缝之间熔合线有一条明显的增碳层，有的地方较宽，最大达到0.08mm，除3条明显的裂纹外，还有部分微裂纹开裂后向焊缝延伸，多数终止于熔合线，没有向焊缝延伸。
从裂纹2的扩展路径看，扩展过程中出现裂纹分支，但很快分支裂纹又终止了，并且出现类似挤压的碎块，具有疲劳扩展的特征。
在36号弯头试样耳板侧热影响区位置（图3中位置4、5），在熔合线和热影响区也发现存在沿晶开裂，没有明显扩展（如图8、9所示），耳板金相组织为奥氏体，未见孪晶。
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图5： 36号试样裂纹1 图6： 36号试样裂纹3
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图7： 36号试样裂纹2
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图8： 36号试样熔合线 图9：36号试样耳板侧微裂纹
37号弯头试样虽然没有宏观裂纹，但在金相显微镜下观察，在图4的6、7位置也发现沿晶开裂裂纹，如图10、11所示，裂纹均在管侧热影响区粗晶区，靠近焊缝，近表面位置，裂纹附近金相组织为粗大的贝氏体，熔合线也有一条明显的增碳层。裂纹尖端可见晶界呈链状聚集，如图12所示。
从37号弯头试样裂纹产生位置分析，此类管侧热影响区裂纹产生于粗晶区，近表面位置，在运行中沿着应力方向扩展，一端向管内壁延伸，一端沿着熔合线向表面扩展，最终完全裂开，导致管子泄露。
在37号试样耳板侧热影响区位置（图4中位置8、9），也发现存在沿晶开裂，没有明显扩展，如图13所示，耳板金相组织为奥氏体，未见孪晶。
36、37号弯头试样管侧母材金相组织均为铁素体+贝氏体，贝氏体球化2.5级，未见明显异常，如图14所示。焊缝组织均为奥氏体，树枝状结晶。
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图10： 37号试样位置6的微裂纹 图11： 37号试样位置7的微裂纹
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图12：37号试样位置6裂纹尖端晶界析出物 图13：37号试样耳板侧微裂纹
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图14：36号试样管侧母材金相组织
2.4电镜试验
对焊缝横截面进行能谱成分分析，定量分析结果分别见表3，由于样品断口不符合能谱定量分析条件，定量分析结果仅供参考。从表3可以看出，36、37号弯头焊缝处检测区域的化学成分为含高Cr、Ni的铁基金属，推测为不锈钢焊材；
表3 焊缝部位能谱定量分析结果 质量分数（wt%）
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对37号弯头管侧热影响区裂纹进行电镜观察，如图15、16所示，裂纹在热影响区沿晶开裂及扩展，在裂纹尖端表现为微孔聚合，最终导致晶界开裂，形成裂纹。
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图15 37号弯头管侧热影响区裂纹电镜照片
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图16 37号弯头裂纹尖端电镜照片
3试验结果分析
从37号弯头金相分析结果及电镜高倍观察结果可见，管侧裂纹均产生于管侧热影响区粗晶区，近表面位置，沿晶开裂，在粗晶区沿着奥氏体晶界扩展，形成较多不连续的晶间微裂纹，并非从管子表面起裂，说明裂纹源在管子热影响区粗晶区。从36号弯头已完全裂开的裂纹形态分析，微裂纹形成后，在结构应力的作用下，沿着应力方向扩展，一端向管内壁延伸，具有疲劳扩展的特征，一端沿着熔合线向表面扩展，最终完全裂开，导致管子泄漏。
管侧焊缝热影响区裂纹附近金相组织为粗大贝氏体，熔合线上可见很窄的增碳带，脱碳带不明显。说明碳迁移不严重，不是产生裂纹的原因。
从37号弯头发现的微裂纹形态分析，裂纹发生在焊接热影响区的粗晶区，裂纹是沿着熔合线母材侧的奥氏体粗晶晶界扩展，呈沿晶开裂，裂纹尖端有微孔聚合特征，从产生位置分析，此类裂纹均产生在近表面，此处的焊接应力和应力集中较为明显，从材质分析，裂纹产生在管侧粗晶区，12Cr1MVG侧，该材料近年来发现有产生再热裂纹的倾向，因此认为该裂纹属于再热裂纹，是弯头开裂的内部原因。
从低再弯头的结构上分析，耳板直接焊接在低再弯头背弧上，弯头背弧存在壁厚减薄、不圆等现象，再加上低再管排在运行中因为膨胀产生左、右位移，对耳板产生一个弯矩，导致对角焊缝会形成了一个拉应力，从36号弯头裂纹后期扩展走向可以看出，裂纹扩展方向是与应力方向垂直的，因此该结构应力是导致裂纹快速扩展的外部因素。
管侧材料的化学成分符合GB 5310-2008标准对12Cr1MoV要求，管侧母材横截面的金相组织为铁素体+贝氏体，未见异常。焊接材料采用的不锈钢焊条，焊缝金相组织为树枝状结晶奥氏体，未见异常。
耳板侧材料的为含铬、镍的奥氏体不锈钢，化学成分C、S、P含量偏高，易与Ni形成低熔点化合物或共晶，导致晶界弱化，容易产生沿晶裂纹，这与在金相试验中发现的耳板侧热影响区沿晶裂纹相吻合，但是由于耳板厚度较厚，并且不锈钢材料韧性较好，因此该裂纹没有明显扩展。
4．结论
4.1焊接产生的再热裂纹是导致低温再热器弯头开裂的内在原因，使角焊缝产生了裂纹源。
4.2焊接热输入量大、焊接电流大，造成热影响区组织粗大是造成再热裂纹产生的主要原因之一。
4.3焊缝金属选用强度较高，管材抗塑性变形能力低，是造成再热裂纹产生并扩展速度快是造成管侧热影响区开裂泄漏，早期失效的主要原因之一。