摘 要:某SA-192高頻焊翅片管發(fā)生漏水,采用宏觀觀察、尺寸測量、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、 掃描電鏡和能譜分析、硬度測試等方法對其漏水原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:漏水的主要原因是焊接 時高頻電流集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表面局部受熱嚴(yán)重,出現(xiàn)過燒缺陷;過 燒缺陷導(dǎo)致鋼管表面堆積大量焊渣,降低了基體材料的塑性和韌性,促使表面凹坑和孔洞的形成。

關(guān)鍵詞:SA-192翅片管;高頻焊;過燒;孔洞;漏水

中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)06-0010-05

SA-192翅片管是一種高效傳熱元件,其傳熱面 積大,被廣泛應(yīng)用于各種鍋爐受熱面、壓力容器等設(shè) 備中[1-2]。長期以來,焊接工藝不當(dāng)引起的各類零部 件失效有很多[3-6]。及時分析缺陷產(chǎn)生的原因是預(yù) 防事故和提高生產(chǎn)效益的必要措施[7]。

某熱軋廠生產(chǎn)的 SA-192高頻焊翅片管發(fā)生 漏水事故,其規(guī)格為44.5mm×2.6mm(外徑×壁 厚)。焊接翅片管的高頻設(shè)備功率為400kW,頻 率為300kHz。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對 該管的漏水原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次 發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

翅片管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:缺 陷管內(nèi)表面有明顯高溫灼燒痕跡,且局部出現(xiàn)破損 和凸起;缺陷管外表面存在多處凹坑和孔洞,且外表 面凹坑和孔洞處的壁厚減薄,其附近有大量黑色物 質(zhì)堆積。

1.2 尺寸測量

為了分析缺陷產(chǎn)生的原因,對缺陷管進(jìn)行取樣 分析,取樣位置如圖2所示。在取樣過程中,發(fā)現(xiàn) 5# 區(qū)域外表面凹坑處有“針孔狀”缺陷(見圖3箭頭 所指),該處疑似為漏水處。6# 區(qū)域內(nèi)表面明顯凸 起,且外表面存在多處凹坑(見圖4箭頭所指)。

缺陷管實(shí)測外徑為44.85mm,正常區(qū)域壁厚為3.00mm,內(nèi)表面凸起區(qū)域壁厚為6.86mm,高溫減 薄區(qū)域壁厚為2.02mm。采用凹痕測量儀對圖3和 圖4中外表面的顯著凹坑進(jìn)行深度測量,測量結(jié)果 分別為2.088,0.715,0.612mm。

1.3 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對缺陷管進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果如表 1 所示,由表 1 可知:其化學(xué)成分符合 ASMESA192/192M—2021 《高壓用無縫鋼管規(guī) 范》的要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

對圖2中不同取樣位置的試樣進(jìn)行打磨、拋光, 再用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,將其置 于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖 5~9 所示。由 圖5~7可知,1# ,3# 和4# 區(qū)域的組織為鐵素體+ 珠光體,晶粒度均為11級。由圖8可知,5# 區(qū)域的 組織為魏氏體,晶粒度為9級,該組織主要是由過熱的低碳鋼在較大的冷卻速率下形成的。由圖9可 知,6# 區(qū)域凹坑附近的組織變化明顯,由晶粒粗大 的魏氏體向晶粒細(xì)小的鐵素體及珠光體轉(zhuǎn)變。此 外,凹坑附近存在較多的黑色規(guī)則圓形物質(zhì),且凹坑 表面覆蓋了一層灰色物質(zhì)。

1.5 掃描電鏡(SEM)和能譜分析

采用掃描電鏡對圖1d)中圓圈標(biāo)記區(qū)域進(jìn)行 掃描電鏡和能譜分析,各分析位置和能譜圖如圖 10所示。由圖10可知:缺陷管外表面凹坑處的黑 色蜂窩狀物質(zhì)含有Ti、Si、Na、K、Ca等元素,進(jìn)而可以判斷出黑色物質(zhì)為焊渣的堆積,其主要成分為 TiO2。

對圖9b)中方框標(biāo)記處進(jìn)行SEM 和能譜分析, 形貌如圖10b)所示,能譜圖如圖10e)所示。由圖 10e)可知,凹坑附近的規(guī)則圓形物質(zhì)主要成分為 FeO,判斷其為D類夾雜物,這種夾雜物會使金屬產(chǎn) 生熱脆性[8]。對圖9b)中圓圈標(biāo)記處進(jìn)行SEM 和 能譜分析,形貌如圖10c)所示,能譜圖如圖10f)所 示。由圖10f)可知,凹坑表面覆蓋的灰色物質(zhì)為焊 接時殘留的焊劑。

1.6 硬度測試

采用萬能硬度計(jì)對圖2中1# 區(qū)域進(jìn)行橫向硬 度測試,對3# ,4# ,5# ,6# 區(qū)域進(jìn)行縱向硬度測試, 缺陷管不同區(qū)域的維氏硬度測試結(jié)果如表2所示, 由表2可以看出:3# 區(qū)域到5# 區(qū)域的維氏硬度呈 增大趨勢,5# 區(qū)域到6# 區(qū)域的維氏硬度呈下降 趨勢。

2 綜合分析

缺陷管正常區(qū)域的化學(xué)成分、顯微組織及硬度 符合 ASMESA192/192M—2021的要求。

由宏觀觀察和尺寸測量結(jié)果可知:缺陷管內(nèi)表 面存在凸起的流線狀缺陷,產(chǎn)生原因?yàn)檐埞芄に嚥? 當(dāng);缺陷管外表面縮徑為制管完成后產(chǎn)生的,這是因 為鋼管終軋溫度低于900℃,不會產(chǎn)生局部的高溫 熔融。

由金相檢驗(yàn)和硬度測試結(jié)果可知:內(nèi)表面凸起 區(qū)域不存在潛在的金屬變形流線,但在焊接高溫區(qū) 域存在過熱的魏氏體,且從正常區(qū)到高溫區(qū),硬度呈 增大趨勢。由能譜分析結(jié)果可知,缺陷管外表面凹 坑和孔洞處存在堆積的焊渣,且在高溫向正常區(qū)域 過渡的凹坑附近,有氧化物夾雜和殘留的焊劑。

3 結(jié)論及建議

缺陷管漏水的主要原因?yàn)?焊接時的高頻電流 集中在鋼管表面,輸入功率大而焊接速率小,造成表 面局部受熱嚴(yán)重,出現(xiàn)過燒缺陷。過燒缺陷導(dǎo)致鋼 管外表面產(chǎn)生大量堆積的焊渣,這些焊渣與鋼管基 體材料的熱膨脹系數(shù)相差很大,會使材料產(chǎn)生很大 的內(nèi)應(yīng)力[9],降低了外表面的塑性和韌性,進(jìn)而促使 表面凹坑和孔洞的形成[10]。

建議焊接時選用合適的焊接工藝參數(shù),減小輸 入功率,提高焊接速率,避免產(chǎn)生過燒現(xiàn)象;同時也 可采用焊前預(yù)熱及焊后保溫的方式,使表面溫度緩 慢降低。

參考文獻(xiàn):

[1] 胡文進(jìn),李良雄,劉斌,等.SA-213Super304H 材質(zhì) 螺旋翅片管高頻焊工藝研究[J].焊接技術(shù),2020,49 (9):84-87.

[2] 劉開緒.提高高頻螺旋翅片管焊接合格率的途徑及節(jié) 能措施[J].焊管,2006,29(3):72-75,80.

[3] 張鴻武,馮楠楠,陳陽.鍋爐高溫過熱器管失效分析 [J].中國鑄造裝備與技術(shù),2021,56(3):69-72.

[4] 劉寶林,鄭準(zhǔn)備,郭松濤,等.300MW 機(jī)組回轉(zhuǎn)式空 氣預(yù)熱器倉格板開裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分 冊),2016,52(2):128-132.

[5] 石仁強(qiáng),王舒濤,楊超,等.電廠鍋爐過熱器失效統(tǒng)計(jì) 與分析[J].焊接技術(shù),2019,48(9):136-139.

[6] 馬小明,廖清常,王業(yè)斌,等.甲酸鈉尾氣吸收塔失效 分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2009,45(6):379- 382.

[7] 郭丹,彭章華,張維科,等.某自備電廠鍋爐水冷壁管 穿孔原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊),2021,57(3):73- 77.

[8] 龔桂仙.鋼鐵產(chǎn)品缺陷與失效實(shí)例分析圖譜[M].北 京:冶金工業(yè)出版社,2012.

[9] 趙志農(nóng).腐蝕失效分析案例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版 社,2009.

[10] 肖超情.鍋爐水冷壁管焊接缺陷的成因及解決辦法 [J].石油化工建設(shè),2012,34(6):79-81.

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>59卷>6期(pp:10-14)>