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摘要：本文以330MW机组里含喷涂层的水冷壁为研究对象，针对在水冷壁换管后水压试验时管道泄露问题，通过宏观检查、金相检测和硬度试验等技术方法，分析喷涂材料对焊缝的影响，并提出焊口焊接前需打光谱，光谱合格后焊接好的焊口在经射线检测合格后采用磁粉做焊缝的探伤，确保焊缝无裂纹产生。
关键词：水冷壁;焊缝裂纹;光谱分析;磁粉探伤
1 事件经过
該电厂水冷壁材质为SA-210C碳钢，规格为Φ45×5.4mm，焊接性良好，水冷壁管内壁设计有螺纹结构。在水冷壁管炉膛内面吹灰器区域附近存在耐磨喷涂层，目前广泛应用于锅炉抗高温磨蚀的电弧喷涂涂层的材料主要以 Ni-Cr 合金为基体，添加少量 Ti，Si，Mo，Al 等合金元素，采用超音速电弧喷涂技术，在水冷壁表面形成稳定的铬氧化物，以产生耐腐蚀、抗冲刷的效果。
该电厂于2019年4月进行了#1机组D修，期间水冷壁防磨检查，经过壁厚测量，对壁厚小于要求的管排给予更换，换管后新焊口经射线检测，底片合格。在第一次水压试验，压力18.84Mp，发现后墙C层西数第2只吹灰器东数第129根管（#129）检修焊口泄漏，打磨后着色探伤检查发现有多条斜向裂纹，将裂纹打磨掉后进行补焊。
第二次水压试验，压力18.84Mp，发现后墙D层第124根（#124）渗水，对第124根（#124）及同等标高附近焊口焊缝及热影响区进行磁粉检测，发现第126根（#126）和之前焊补的132根（#132）在焊缝正面有横向裂纹磁痕显示。对该三处管段进行进一步渗透检测，检测后发现在#124与#132管段的焊缝处均发现斜向裂纹，裂纹方向与焊缝波纹方向近似平行;#126样焊缝裂纹痕迹显示位于鳍片角焊缝附近。
2 焊接裂纹取样试验
2.1 宏观金相检查
对出现裂纹的#1炉水冷壁管段进行割管分析，对管样焊缝处分别取样，磨制、抛光、侵蚀后在体式显微镜下观察低倍形貌。已挖补处理的#129样两处接头形貌，未见气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。
第二次水压试验时泄漏的#124样从焊缝纵截面制样，向火面整半圈多处开裂，裂纹在厚度方向上断续分布。在随后磁粉探伤发现裂纹的#126样及#132样，通过焊缝纵截面形貌可得出裂纹未穿透，均出现在盖面层，且呈多条分散型分布，#126样焊缝裂纹虽然位于鳍片角焊缝附近，但与鳍片角焊缝无关。
2.2 微观金相分析
金相试样在光学显微镜下观察，结果见表1。
2.3 硬度检测
在制取的金相试样上进行小负荷布氏硬度检测，母材硬度在150～170HB之间，焊缝硬度在170～200HB之间，符合相关标准要求。
2.4 SEM检测与能谱分析
在#124管段的裂纹内部夹杂颗粒进行SEM+EDS检测，发现在裂纹内部有大量圆状夹杂与不规则形状夹杂，对于这两类夹杂分别进行EDS能谱分析，其中圆形夹杂成分主要为Mo，不规则形状夹杂主要成分为Si。
3 裂纹原因分析
3.1 焊接缺陷定性分析
#124、#126、#132管焊缝内部均出现了大量夹渣及裂纹缺陷。裂纹按形态可分为两类：第一类裂纹开口较宽，有的程断续锯齿状，有的呈团簇状，两端圆钝，其内部还有灰色氧化物或颗粒状夹杂，分析为夹渣引起的焊缝开裂;第二类裂纹为较细的沿晶裂纹，一般位于第一类裂纹附近，分析为杂质元素偏聚引起的热裂纹。夹渣也可分为两类，第一类为灰色氧化物，应为坡口内外壁锈渣和氧化皮，例如#124样焊缝根部位置的大量夹渣开裂，为内壁未清理干净的氧化物进入熔池引起的;第二类为开裂内部的颗粒状夹杂，经能谱分析主要成分为Si与Mo。
3.2 难熔化合物来源分析
水冷壁管段材质为SA210C碳钢，其焊接性良好，一般不易产生热裂纹。对所用焊丝进行成分分析，未发现异常;通过新换管段的材质分析可排除母材缺陷导致焊缝开裂的可能。结合定性分析，水冷壁焊缝频繁开裂泄漏很可能与焊接前坡口附近清理不干净焊接过程中有杂质或难熔化合物。
从裂纹的宏观形态来看，裂纹与焊波方向较为吻合，焊波为熔池推进凝固的前沿，一些难熔化合物可能在该处聚集，从而引起渣状开裂。若在焊接前坡口未处理干净，或是打磨工具污染坡口，将内壁的氧化皮、外壁的喷涂层金属带入熔池，则会产生夹渣及焊接热裂纹。此次发生开裂及泄漏的焊口旧管一侧向火面均有喷涂层，且发生开裂也均在向火面，且热裂纹中的主要非金属元素Si，在排除焊丝以及管件中存在的可能性后，主要来源为喷涂层，因此喷涂层污染导致热裂纹的可能性较高。
3.3 光谱法确认坡口难熔元素
在返工阶段现场对水冷壁焊接前坡口用XL2-800便携式手持光谱分析仪进行光谱分析，分别采集喷涂层打磨干净和喷涂层未打磨干净处各一点作为样本，光谱分析结果如表2所示。
在光谱分析过程中，发现类似表2中1号样本情况的焊口占70%左右，在对坡口进行彻底打磨，并增大管径垂直方向的打磨宽度后检验发现类似2号样本的坡口数量占比约98%。说明引起焊缝热裂纹难熔化合物元素来自于坡口未打磨干净的喷涂层。
4 焊接裂纹现场检测
目前水冷壁管焊缝的检测采用100%射线透照，在射线检测合格后较少采用其他检测手段。但由于射线检测对于细小裂纹存在漏检的情况，所以，在此次施工的返工阶段，针对喷涂层区域的焊缝，在射线合格后增加了磁粉检测工序，以便进一步排除焊接裂纹缺陷。
4.1 射线检测
在首次施工过程中，对焊缝检验采用100%射线透照，每天新焊口在8-24小时内进行同步射线检测，检验设备为2505射线机，评片标准为NB/T47013，底片等级为AB级，对不符合标准要求的焊口进行返修处理，直至底片合格。
4.2 磁粉检测
焊接裂纹一般与表面相通，面对表面缺陷，磁粉检测灵敏度度高、可靠且设备简单，可方便地在现场检测，发现缺陷能够及时排除和修补。在首次施工中，仅采取射线检测，没有判断出焊缝裂纹。在喷涂层处焊口返工过程中，除了100%射线检测外，为检测焊缝热裂纹并排除延迟裂纹的可能性，在射线合格后增加磁粉检测工序，对所有新焊口焊缝及热影响区进行100%的磁粉检测。返工后水压试验一次合格。
5 焊接裂纹的预防措施
由裂纹原因分析可以看出，坡口处喷涂元素的残留是此次焊接裂纹产生的主要原因。所以坡口的清理不但要将可见的杂质剔除干净，对于肉眼无法判别的残余难熔喷涂元素必须采取光谱仪进行确认。光谱分析应作为坡口清洁度判断的必要工序。坡口需彻底打磨，并增大管径垂直方向的打磨宽度，并使用光谱仪来确认坡口是否回归母材材质，在确认无喷涂元素后方可焊接。
结语：锅炉水冷壁管焊接质量的控制在于焊接过程中工序的控制及焊接后的检测。针对有喷涂层区域水冷壁换管，为确保坡口无喷涂元素污染，需对坡口进行光谱分析，确认回归母材材质后进行焊接。焊接结束后，除了对焊口进行100%射线检测，由于射线对裂纹检测存在漏检的情况，故还需对射线检测合格的焊口进行磁粉检测，进一步排除焊缝裂纹的可能，保证水冷壁能安全可靠的运行。
关键词：水冷壁;焊缝裂纹;光谱分析;磁粉探伤
1 事件经过
該电厂水冷壁材质为SA-210C碳钢，规格为Φ45×5.4mm，焊接性良好，水冷壁管内壁设计有螺纹结构。在水冷壁管炉膛内面吹灰器区域附近存在耐磨喷涂层，目前广泛应用于锅炉抗高温磨蚀的电弧喷涂涂层的材料主要以 Ni-Cr 合金为基体，添加少量 Ti，Si，Mo，Al 等合金元素，采用超音速电弧喷涂技术，在水冷壁表面形成稳定的铬氧化物，以产生耐腐蚀、抗冲刷的效果。
该电厂于2019年4月进行了#1机组D修，期间水冷壁防磨检查，经过壁厚测量，对壁厚小于要求的管排给予更换，换管后新焊口经射线检测，底片合格。在第一次水压试验，压力18.84Mp，发现后墙C层西数第2只吹灰器东数第129根管（#129）检修焊口泄漏，打磨后着色探伤检查发现有多条斜向裂纹，将裂纹打磨掉后进行补焊。
第二次水压试验，压力18.84Mp，发现后墙D层第124根（#124）渗水，对第124根（#124）及同等标高附近焊口焊缝及热影响区进行磁粉检测，发现第126根（#126）和之前焊补的132根（#132）在焊缝正面有横向裂纹磁痕显示。对该三处管段进行进一步渗透检测，检测后发现在#124与#132管段的焊缝处均发现斜向裂纹，裂纹方向与焊缝波纹方向近似平行;#126样焊缝裂纹痕迹显示位于鳍片角焊缝附近。
2 焊接裂纹取样试验
2.1 宏观金相检查
对出现裂纹的#1炉水冷壁管段进行割管分析，对管样焊缝处分别取样，磨制、抛光、侵蚀后在体式显微镜下观察低倍形貌。已挖补处理的#129样两处接头形貌，未见气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。
第二次水压试验时泄漏的#124样从焊缝纵截面制样，向火面整半圈多处开裂，裂纹在厚度方向上断续分布。在随后磁粉探伤发现裂纹的#126样及#132样，通过焊缝纵截面形貌可得出裂纹未穿透，均出现在盖面层，且呈多条分散型分布，#126样焊缝裂纹虽然位于鳍片角焊缝附近，但与鳍片角焊缝无关。
2.2 微观金相分析
金相试样在光学显微镜下观察，结果见表1。
2.3 硬度检测
在制取的金相试样上进行小负荷布氏硬度检测，母材硬度在150～170HB之间，焊缝硬度在170～200HB之间，符合相关标准要求。
2.4 SEM检测与能谱分析
在#124管段的裂纹内部夹杂颗粒进行SEM+EDS检测，发现在裂纹内部有大量圆状夹杂与不规则形状夹杂，对于这两类夹杂分别进行EDS能谱分析，其中圆形夹杂成分主要为Mo，不规则形状夹杂主要成分为Si。
3 裂纹原因分析
3.1 焊接缺陷定性分析
#124、#126、#132管焊缝内部均出现了大量夹渣及裂纹缺陷。裂纹按形态可分为两类：第一类裂纹开口较宽，有的程断续锯齿状，有的呈团簇状，两端圆钝，其内部还有灰色氧化物或颗粒状夹杂，分析为夹渣引起的焊缝开裂;第二类裂纹为较细的沿晶裂纹，一般位于第一类裂纹附近，分析为杂质元素偏聚引起的热裂纹。夹渣也可分为两类，第一类为灰色氧化物，应为坡口内外壁锈渣和氧化皮，例如#124样焊缝根部位置的大量夹渣开裂，为内壁未清理干净的氧化物进入熔池引起的;第二类为开裂内部的颗粒状夹杂，经能谱分析主要成分为Si与Mo。
3.2 难熔化合物来源分析
水冷壁管段材质为SA210C碳钢，其焊接性良好，一般不易产生热裂纹。对所用焊丝进行成分分析，未发现异常;通过新换管段的材质分析可排除母材缺陷导致焊缝开裂的可能。结合定性分析，水冷壁焊缝频繁开裂泄漏很可能与焊接前坡口附近清理不干净焊接过程中有杂质或难熔化合物。
从裂纹的宏观形态来看，裂纹与焊波方向较为吻合，焊波为熔池推进凝固的前沿，一些难熔化合物可能在该处聚集，从而引起渣状开裂。若在焊接前坡口未处理干净，或是打磨工具污染坡口，将内壁的氧化皮、外壁的喷涂层金属带入熔池，则会产生夹渣及焊接热裂纹。此次发生开裂及泄漏的焊口旧管一侧向火面均有喷涂层，且发生开裂也均在向火面，且热裂纹中的主要非金属元素Si，在排除焊丝以及管件中存在的可能性后，主要来源为喷涂层，因此喷涂层污染导致热裂纹的可能性较高。
3.3 光谱法确认坡口难熔元素
在返工阶段现场对水冷壁焊接前坡口用XL2-800便携式手持光谱分析仪进行光谱分析，分别采集喷涂层打磨干净和喷涂层未打磨干净处各一点作为样本，光谱分析结果如表2所示。
在光谱分析过程中，发现类似表2中1号样本情况的焊口占70%左右，在对坡口进行彻底打磨，并增大管径垂直方向的打磨宽度后检验发现类似2号样本的坡口数量占比约98%。说明引起焊缝热裂纹难熔化合物元素来自于坡口未打磨干净的喷涂层。
4 焊接裂纹现场检测
目前水冷壁管焊缝的检测采用100%射线透照，在射线检测合格后较少采用其他检测手段。但由于射线检测对于细小裂纹存在漏检的情况，所以，在此次施工的返工阶段，针对喷涂层区域的焊缝，在射线合格后增加了磁粉检测工序，以便进一步排除焊接裂纹缺陷。
4.1 射线检测
在首次施工过程中，对焊缝检验采用100%射线透照，每天新焊口在8-24小时内进行同步射线检测，检验设备为2505射线机，评片标准为NB/T47013，底片等级为AB级，对不符合标准要求的焊口进行返修处理，直至底片合格。
4.2 磁粉检测
焊接裂纹一般与表面相通，面对表面缺陷，磁粉检测灵敏度度高、可靠且设备简单，可方便地在现场检测，发现缺陷能够及时排除和修补。在首次施工中，仅采取射线检测，没有判断出焊缝裂纹。在喷涂层处焊口返工过程中，除了100%射线检测外，为检测焊缝热裂纹并排除延迟裂纹的可能性，在射线合格后增加磁粉检测工序，对所有新焊口焊缝及热影响区进行100%的磁粉检测。返工后水压试验一次合格。
5 焊接裂纹的预防措施
由裂纹原因分析可以看出，坡口处喷涂元素的残留是此次焊接裂纹产生的主要原因。所以坡口的清理不但要将可见的杂质剔除干净，对于肉眼无法判别的残余难熔喷涂元素必须采取光谱仪进行确认。光谱分析应作为坡口清洁度判断的必要工序。坡口需彻底打磨，并增大管径垂直方向的打磨宽度，并使用光谱仪来确认坡口是否回归母材材质，在确认无喷涂元素后方可焊接。
结语：锅炉水冷壁管焊接质量的控制在于焊接过程中工序的控制及焊接后的检测。针对有喷涂层区域水冷壁换管，为确保坡口无喷涂元素污染，需对坡口进行光谱分析，确认回归母材材质后进行焊接。焊接结束后，除了对焊口进行100%射线检测，由于射线对裂纹检测存在漏检的情况，故还需对射线检测合格的焊口进行磁粉检测，进一步排除焊缝裂纹的可能，保证水冷壁能安全可靠的运行。