1、前言
    某廠動力車間新建75t/h水煤漿鍋爐（TG - 75/12 -J）點火試運行過程中，頂棚過熱器曾先后多處發(fā)生破裂泄漏。
    頂棚過熱器由15CrMoG鋼管及其鰭片組成。換熱管規(guī)格為∮42mm×5mm，鰭片扁鋼截面尺寸為48mm×6mm。鋼管與鰭片之間通過埋弧自動焊相連，焊接坡口為K型；焊絲H08CrMoA ∮2mm，焊劑HJ501；焊接電流260~320A，焊接電壓28~32V，焊接速度600 mm/min;焊接無預(yù)、后熱及焊后消應(yīng)力熱處理。頂棚過熱器運行參數(shù)：管內(nèi)介質(zhì)為飽和蒸汽，溫度約為300℃，壓力約為13.8MPa。
    現(xiàn)將過熱管破裂分析及采取的改進措施簡述如下。
2、檢測和試驗
2.1試樣
    現(xiàn)場和試驗室宏觀、PT檢查發(fā)現(xiàn)，過熱器破裂均發(fā)生于彎管區(qū)，見圖1。檢測和試驗在取自頂棚過熱器彎管（發(fā)生破裂）和直管部位的兩組過熱器管段上進行。彎管試樣：長560 mm，由鰭片連接的兩根相鄰彎管段；直管試樣：長500 mm.由鱔片連接的兩根相鄰直管段。
2.2宏觀檢驗
    在彎管試樣彎曲內(nèi)側(cè)（翅片以下部分）角焊縫邊緣附近多處存在與焊縫走向一致的穿透性裂縫，較長的一處長約100 mm,另一處長約50 mm,而且上述相應(yīng)管段兩鱔側(cè)片以下角焊縫區(qū)大約呈對稱開裂。
    解剖檢查看出，裂紋起始于角焊縫下方過熱器管內(nèi)表面（焊縫熱影響區(qū)），由內(nèi)壁向外并向長度方向擴展，見圖2。宏觀斷口顯示，裂紋是多源的，較長的裂紋是由幾處小裂紋擴展相聚而長，主裂紋兩側(cè)還有與之平行的若干條小裂紋，因此，斷口上存在臺階和復(fù)合斷面。過熱管破裂區(qū)及其附近，壁厚減薄及變形不明顯（見表1），屬脆性開裂。破裂面上覆蓋有黑色附著物（包括腐蝕產(chǎn)物）。此外，焊縫存在局部咬邊、氣孔、未焊透等缺陷，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
2.3過熱器管破裂區(qū)化學(xué)成分分析
2.4過熱器管材料室溫力學(xué)性能試驗
    從直管試樣上取拉伸試樣，在Instron電拉上做抗拉試驗，結(jié)果見表3。
2.5過熱器管金相分析
    從發(fā)現(xiàn)破裂的彎曲管裂紋附近取樣進行金相分析，觀察顯示：過熱管母材組織為鐵素體+珠光體，具有明顯帶狀特征；焊縫金屬組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+少量貝氏體；過熱區(qū)組織為粒狀貝氏體；正火區(qū)組織為細塊狀鐵素體+珠光體；不完全正火區(qū)組織為鐵素體+細珠光體一鐵素體一馬氏體群聚區(qū)。
    由于過熱管壁較薄，鰭片與鋼管之間焊縫下方管內(nèi)壁處于焊接熱影響區(qū)，且大多處于不完全正火區(qū)，少量處于正火區(qū)。
    由于不完全正火區(qū)中含有馬氏體組織，此區(qū)中的馬氏體為高碳馬氏體（比過熱區(qū)中經(jīng)常出現(xiàn)的低碳板條馬氏體更脆、更硬），它與原來未轉(zhuǎn)變的鐵素體和部分未轉(zhuǎn)變的珠光體等形成很復(fù)雜的混合組織，結(jié)果導(dǎo)致性能變得很脆。這己為測得的顯微硬度數(shù)據(jù)（HV0.05 - 467:不完全正火區(qū)顯微組織中馬氏體或馬氏體群聚區(qū)顯微硬度）和宏觀硬度數(shù)據(jù)（表4數(shù)據(jù)為焊接接頭區(qū)宏觀硬度分布，不完全正火區(qū)硬度為包括馬氏體、馬氏體群聚區(qū)及其它組織在內(nèi)的較大范圍硬度平均值，不完全正火區(qū)硬度在整個接頭區(qū)中最高）所證實。
2.6過熱器管裂紋金相分析
    觀察顯示，裂紋起始于焊縫下方過熱器管內(nèi)表面，觀察的四條裂紋中三條裂紋起裂點處于不完全正火區(qū)，一條裂紋起裂于正火區(qū)；其中三條裂紋終止于焊縫，一條裂紋止于正火區(qū)。裂紋在不完全正火區(qū)和正火區(qū)為穿晶擴展，在過熱區(qū)和焊縫金屬中基本沿晶擴展。
2.7過熱管裂紋附近硬度測定(見表4)
2.8斷口掃描電鏡分析
    低倍觀察，裂紋擴展跡線由管內(nèi)壁向外發(fā)散，從微觀形貌上證明裂紋起始于管內(nèi)壁，由于斷口表面覆蓋有黑色附著物，斷口細節(jié)難以看清。
2.9  斷口復(fù)蓋物微區(qū)成分分析
    對幾處裂紋面（斷口）復(fù)蓋物成分進行分析表明，復(fù)蓋物中含有一定量的Na(0.41%)、S(0.99%)、Al(0.31%)、Cu(2.42%)、Si(0.35%)、Mn
3、討論
3.1過熱器管破裂性質(zhì)
    根據(jù)裂紋位置、形態(tài)及過熱器管經(jīng)歷看，裂紋屬脆性開裂；裂紋在點火試運行過程中有擴展，屬動態(tài)裂紋。從裂紋起始于焊接接頭最脆區(qū)，且起始階段為穿晶擴展，可認為至少部分宏觀裂紋由焊接或彎管過程中形成的穿晶小裂紋擴展而成。從裂紋起始于管內(nèi)壁，多源，裂紋起裂并擴展一段后即轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐�擴展，裂紋多分枝，裂紋集中于彎管區(qū)，顯示裂紋具有應(yīng)力腐蝕開裂特征。從裂紋面上殘留NaOH，證實裂紋屬堿應(yīng)力腐蝕開裂。
3.2過熱器管破裂原因
    鑒于破裂均發(fā)生于過熱器彎管段焊接區(qū)；均起(0.40%)、Cr(1.29%)等。始于過熱器彎管段焊接區(qū)下側(cè)管內(nèi)壁，加之過熱器管破裂的其它特征（多源，多分枝，脆性動態(tài)擴展等），因此，可認為過熱器管的破裂與焊接過程、彎管過程、管內(nèi)介質(zhì)密切相關(guān)。
    在過熱器管相應(yīng)材質(zhì)（15CrMoG，淬硬性強）、結(jié)構(gòu)和焊接工藝（鋼管與翅片之間通過埋弧自動焊相連）條件下，不完全正火區(qū)中出現(xiàn)非常脆硬的高碳馬氏體，或含有高碳馬氏體的復(fù)雜混合組織，這為開裂提供了材質(zhì)條件。過熱器管的彎曲加工過程，導(dǎo)致焊接區(qū)管內(nèi)壁（特別是彎管下側(cè)焊接區(qū)管內(nèi)壁）產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，與焊接殘余應(yīng)力、工作應(yīng)力迭加后成為過熱器管開裂的力學(xué)條件。過熱器彎管下側(cè)焊接區(qū)管內(nèi)壁某些脆性組織在彎曲過程中可能引發(fā)脆性開裂（脆性組織、彎曲冷作硬化、彎曲和焊接殘余應(yīng)力迭加作用的結(jié)果），形成一些微裂紋，為應(yīng)力腐蝕開裂提供裂源并成為集聚的區(qū)域。
    過熱器堿洗過程中，上述存在脆硬組織、迭加殘余應(yīng)力、脆性微裂紋的彎管段下側(cè)焊接區(qū)管內(nèi)壁就可能產(chǎn)生堿應(yīng)力腐蝕開裂或原脆性微裂紋以堿應(yīng)力腐蝕開裂機制而擴展。過熱器管裂紋沿晶擴展及斷裂面上附著有NaOH痕跡，一定程度上支持了堿應(yīng)力腐蝕開裂或擴展的提法。
    離汽包最近的彎管區(qū)是堿洗過程中堿水或含堿蒸汽容易到達的地方，但因堿洗后的處理使斷口上殘存的堿大為減少。
4、處理措施
    對已經(jīng)嚴重開裂的過熱器彎管部分應(yīng)加以更換，重新制作的彎管部分應(yīng)作消除應(yīng)力熱處理，以避免焊接裂紋、彎管開裂及應(yīng)力腐蝕開裂。
    廠方重新制作的彎管段完成鱔片焊接后，彎管前和彎管后都作了消應(yīng)力熱處理，彎管前熱處理的目的在于消除焊接殘余應(yīng)力和改善接頭區(qū)組織，避免焊后和彎管過程中開裂；彎管后熱處理在于消除冷作產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和材料硬化，以提高彎管部分抗堿應(yīng)力腐蝕開裂的能力。經(jīng)過改進后制作的頂棚過熱器已安全運行半年以上。
5、結(jié)論
    (1)頂棚過熱器多處開裂均發(fā)生在離汽包最近的彎管區(qū)，且起始于過熱器彎管段鰭片下側(cè)焊接區(qū)管內(nèi)壁，屬堿洗過程中引發(fā)的堿應(yīng)力腐蝕開裂；
    (2)彎管段鰭片下側(cè)焊接區(qū)管內(nèi)壁存在高脆性高碳馬氏體，焊接和彎管過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，堿洗過程中高溫堿水或堿蒸汽的侵入、彎管過程在內(nèi)壁高碳馬氏體區(qū)誘發(fā)微裂紋等為上述過熱器管應(yīng)力腐蝕開裂提供了必需的條件；
    (3)重新制作時，彎管段完成焊接后，彎管前和彎管后都作了消應(yīng)力熱處理，由此解決了上述過熱器管應(yīng)力腐蝕開裂問題。