除氧水箱焊缝开裂原因分析

1 引言

某电厂除氧器呈卧式布置，其全长为 46600mm ，筒体主设备材料为SA516GR 70 为了便于设备运输及吊装，设备筒体分3 段部件，现场进行筒体环焊缝焊接拼装。除氧器呈喷水式设计，内部主要由3个除氧水箱、给水母管、水雾喷头、蒸汽分配装置、排水管等组成。除氧水箱箱体材质为410S不锈钢，由多个平板焊接连接而成，制造厂采用焊材为ER-309L冷焊工艺。410S材料相当于我国的06Cr13钢，该材料含碳量≤0.08% ，主要合金元素为Cr元素，410S 不锈钢中w（Cr） 11.5%～13.5% ，是马氏体不锈钢中铬含量较低的一种。

早期除氧水箱角焊缝出现了大面积不同程度的裂纹缺陷，按照原工艺进行了返修处理。机组大修时，对除氧水箱检查发现焊缝仍有部分开裂。因此本文就裂纹原因进行试验分析，以获取开裂机理。

2 取样检验分析

选取典型部位，对裂纹现场截取试样，如下图 1 所示，对现场截取的试样进行实验室试验分析。

2.1 材料成分分析

采用 GS-902G 高频红外碳硫分析仪和 PMI-MASTER Smart 火花直读光谱仪依据GB/T20123-2006 和 GB/T 11170-2008 采用对母材成分进行分析，其结果如下表 1 所示，可知母材成分满足标准 ASME SA-240 标准要求。

2.2 硬度检验

采用 Ql0A⁺ 型 Qness 全自动显微硬度计设备依据标准 GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第 1 部分：试验方法》对试样的焊缝，热影响区和母材进行显微硬度测试，测试结果如下表 2 所示。从接头不同区域的硬度分布可知，焊缝硬度 > 热影响区硬度 > 母材硬度。

2.3 微观组织检验

采用 Zeiss Axiovert 200MAT 倒置万能材料显微镜，依据标准 GB/T13299-1991《钢的显微组织评定方法》对截取的金相试样进行微观组织和裂纹进行检验。检验结果如图 2 所示，从结果可知焊缝组织为树枝晶组织，热影响区的粗晶区组织为铁素体+碳化物+贝氏体组织，热影响区的粗晶区晶粒粗大，粗大的晶粒降低接头的塑性；母材组织正常，但轧制时被拉伸的晶粒明显，其组织为铁素体 +）碳化物组织。焊接接头中未见气孔、夹渣及未熔合等焊接缺陷。裂纹整体形貌中裂纹外表面位置较宽，越靠近内壁，裂纹越窄，因此裂纹是从外表面向内扩展；裂纹整体从热影响区向母材区域扩展；在试样裂纹的始端到裂纹终端，裂纹沿晶扩展。

图 2 试样截面显微组织（a-裂纹整体形貌，b-裂纹始端，c-裂纹中间区域，d-裂纹尖端，e-焊缝，f-熔合线，g-热影响区，h-母材）

2.4 能谱与断口扫描电镜观察

为进一步分析接头显微组织特征，对试样母材及热影响区能谱分析，由表 3 可知，母材晶界位置 C 元素偏高现象，热影响区细晶区晶界位置 C 元素也存在偏聚现象，热影响区粗晶区晶界位置 C 元素和 Si 升高，Cr，Fe 元素有明显降低现象。通过对比发现，C 元素在热影响区尤其是粗晶区的偏聚比母材区域更为明显。

将裂纹打开进一步观察分析其断口形貌，断口表面覆盖一层氧化物，采用弱酸将断口表面清洗后，断口表面依然有大量的氧化物覆盖，从显露出来的断口形貌可知，断口呈解理断口形貌特征。

3 原因分析及建议

3.1 原因分析

综上所述，焊缝热影响粗晶区晶粒长大趋势明显，热影响区粗晶区晶界 C 元素的偏聚现象较严重。这是因为该组织对焊接热输入较敏感，在焊接热循环作用下，在较短的高温停留时间，易引起焊接接头热影响区晶粒急剧长大粗化和碳化物在晶界析出、集聚，使得焊接接头的塑性和韧性降低。在热影响与焊缝交界处硬度达到了峰值[1]，形成了整个焊接接头的薄弱区域，这为裂纹萌生提供了有利条件。

除氧水箱由蒸汽挡板、接水盘、肋板、内部通道格栅板、蒸汽管、固定支撑板、箱体及人孔等薄板（ 8mm ）通过焊接连接而成，且多为角焊缝集中不合理设计。开裂处于存在明显的结构应力集中和焊接叠加应力。焊接接头为奥氏体氏体组成的异种钢焊接接头，两者线膨胀系数（表 4）差异较大。机组启、停工况下易产生附加应力和流体冲击力，在结构应力、焊接应力、热应力及流体冲击力的综合作用下，促使裂纹在焊缝粗晶区萌生、快速扩展，最终导致焊缝早期失效。