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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生破裂泄漏。
    頂棚過熱器由15CrMoG鋼管及其鰭片組成。換熱管規格為∮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、后熱及焊后消應力熱處理。頂棚過熱器運行參數：管內介質為飽和蒸汽，溫度約為300℃，壓力約為13.8MPa。
    現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
    現場和試驗室宏觀、PT檢查發現，過熱器破裂均發生于彎管區，見圖1。檢測和試驗在取自頂棚過熱器彎管（發生破裂）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
    在彎管試樣彎曲內側（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,而且上述相應管段兩鱔側片以下角焊縫區大約呈對稱開裂。
    解剖檢查看出，裂紋起始于角焊縫下方過熱器管內表面（焊縫熱影響區），由內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，主裂紋兩側還有與之平行的若干條小裂紋，因此，斷口上存在臺階和復合斷面。過熱管破裂區及其附近，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鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
2.3過熱器管破裂區化學成分分析
2.4過熱器管材料室溫力學性能試驗
    從直管試樣上取拉伸試樣，在Instron電拉上做抗拉試驗，結果見表3。
2.5過熱器管金相分析
    從發現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；過熱區組織為粒狀貝氏體；正火區組織為細塊狀鐵素體+珠光體；不完全正火區組織為鐵素體+細珠光體一鐵素體一馬氏體群聚區。
    由于過熱管壁較薄，鰭片與鋼管之間焊縫下方管內壁處于焊接熱影響區，且大多處于不完全正火區，少量處于正火區。
    由于不完全正火區中含有馬氏體組織，此區中的馬氏體為高碳馬氏體（比過熱區中經常出現的低碳板條馬氏體更脆、更硬），它與原來未轉變的鐵素體和部分未轉變的珠光體等形成很復雜的混合組織，結果導致性能變得很脆。這己為測得的顯微硬度數據（HV0.05 - 467:不完全正火區顯微組織中馬氏體或馬氏體群聚區顯微硬度）和宏觀硬度數據（表4數據為焊接接頭區宏觀硬度分布，不完全正火區硬度為包括馬氏體、馬氏體群聚區及其它組織在內的較大范圍硬度平均值，不完全正火區硬度在整個接頭區中最高）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，一條裂紋起裂于正火區；其中三條裂紋終止于焊縫，一條裂紋止于正火區。裂紋在不完全正火區和正火區為穿晶擴展，在過熱區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壁向外發散，從微觀形貌上證明裂紋起始于管內壁，由于斷口表面覆蓋有黑色附著物，斷口細節難以看清。
2.9  斷口復蓋物微區成分分析
    對幾處裂紋面（斷口）復蓋物成分進行分析表明，復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
    根據裂紋位置、形態及過熱器管經歷看，裂紋屬脆性開裂；裂紋在點火試運行過程中有擴展，屬動態裂紋。從裂紋起始于焊接接頭最脆區，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。從裂紋起始于管內壁，多源，裂紋起裂并擴展一段后即轉變為沿晶擴展，裂紋多分枝，裂紋集中于彎管區，顯示裂紋具有應力腐蝕開裂特征。從裂紋面上殘留NaOH，證實裂紋屬堿應力腐蝕開裂。
3.2過熱器管破裂原因
    鑒于破裂均發生于過熱器彎管段焊接區；均起(0.40%)、Cr(1.29%)等。始于過熱器彎管段焊接區下側管內壁，加之過熱器管破裂的其它特征（多源，多分枝，脆性動態擴展等），因此，可認為過熱器管的破裂與焊接過程、彎管過程、管內介質密切相關。
    在過熱器管相應材質（15CrMoG，淬硬性強）、結構和焊接工藝（鋼管與翅片之間通過埋弧自動焊相連）條件下，不完全正火區中出現非常脆硬的高碳馬氏體，或含有高碳馬氏體的復雜混合組織，這為開裂提供了材質條件。過熱器管的彎曲加工過程，導致焊接區管內壁（特別是彎管下側焊接區管內壁）產生很大的拉應力，與焊接殘余應力、工作應力迭加后成為過熱器管開裂的力學條件。過熱器彎管下側焊接區管內壁某些脆性組織在彎曲過程中可能引發脆性開裂（脆性組織、彎曲冷作硬化、彎曲和焊接殘余應力迭加作用的結果），形成一些微裂紋，為應力腐蝕開裂提供裂源并成為集聚的區域。
    過熱器堿洗過程中，上述存在脆硬組織、迭加殘余應力、脆性微裂紋的彎管段下側焊接區管內壁就可能產生堿應力腐蝕開裂或原脆性微裂紋以堿應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力腐蝕開裂或擴展的提法。
    離汽包最近的彎管區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
    對已經嚴重開裂的過熱器彎管部分應加以更換，重新制作的彎管部分應作消除應力熱處理，以避免焊接裂紋、彎管開裂及應力腐蝕開裂。
    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力熱處理，彎管前熱處理的目的在于消除焊接殘余應力和改善接頭區組織，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生的殘余應力和材料硬化，以提高彎管部分抗堿應力腐蝕開裂的能力。經過改進后制作的頂棚過熱器已安全運行半年以上。
5、結論
    (1)頂棚過熱器多處開裂均發生在離汽包最近的彎管區，且起始于過熱器彎管段鰭片下側焊接區管內壁，屬堿洗過程中引發的堿應力腐蝕開裂；
    (2)彎管段鰭片下側焊接區管內壁存在高脆性高碳馬氏體，焊接和彎管過程產生的殘余應力，堿洗過程中高溫堿水或堿蒸汽的侵入、彎管過程在內壁高碳馬氏體區誘發微裂紋等為上述過熱器管應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力熱處理，由此解決了上述過熱器管應力腐蝕開裂問題。