王淦剛，劉天佐，尚建路，成 鵬，遲鳴聲，趙建倉

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004;2.華電國際電力股份有限公司，濟南 250014)

0 引言

隨著火力發(fā)電廠機組容量和參數(shù)的提高，亞臨界和超(超)臨界鍋爐過熱器對管材級別的要求也越來越高［1-3］，基于安全性及經(jīng)濟性的考慮，出現(xiàn)了大量異種鋼焊接接頭的使用，尤其以TP347HFG 為代表的奧氏體不銹鋼和以T91 為代表的馬氏體不銹鋼組成的異種鋼焊接接頭在國內(nèi)電站得到了廣泛的應(yīng)用。而對于異種鋼焊接接頭來說，由于其母材的化學成分、組織結(jié)構(gòu)、機械性能及物理性能的差異［4］，使其性能受接頭中的焊接殘余應(yīng)力、焊后熱處理等的影響較大，由此帶來的異種鋼焊接接頭開裂失效的問題也逐漸增多［5］。同時，對于這類異種鋼的焊接接頭在使用過程中出現(xiàn)裂紋可以借鑒的經(jīng)驗并不多，因此對所發(fā)現(xiàn)的焊接裂紋問題進行深入分析研究具有十分重要的意義。

針對火電廠高溫過熱器P91 與TP347HFG 異種鋼焊接接頭發(fā)生的開裂失效問題，本研究除了對裂紋的檢測采用常規(guī)的無損探傷檢驗方法外，還直接在焊接裂紋處和未有裂紋的焊接接頭取樣進行金相和掃描電鏡分析，對裂紋性質(zhì)的判斷和裂紋原因的分析起到重要作用;同時也借助材料的各個區(qū)域的硬度，組織結(jié)構(gòu)及未出現(xiàn)裂紋失效處的接頭拉伸性能及沖擊韌性進行分析，并對母材進行檢測對比等試驗，進一步揭示其裂紋產(chǎn)生原因。

1 試驗背景

火電廠機組1 號鍋爐在8月18日點火，到8月22日鍋爐運行壓力8 MPa，爐管泄漏。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高過入口自爐左數(shù)第4 管組的前數(shù)第4 根管，爐管斷裂，斷裂位置在T91 +TP347HFG 異種鋼焊接接頭T91 側(cè)的熱影響區(qū)。同時在鍋爐制造廠生產(chǎn)的T91 +TP347HFG 異種鋼焊接接頭等多處發(fā)現(xiàn)相同的斷裂，因此對其裂紋開裂原因進行分析尤顯必要和迫切。異種鋼焊接接頭T91、TP347HFG 母材的化學成分如表1 所示;母材的常規(guī)拉伸試驗結(jié)果如表2 所示，均滿足ASME 及GB 5310 標準的相關(guān)技術(shù)要求。

表1 T91、TP347HFG 的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of T91 and TP347HFG (mass fraction/%)

表2 T91、TP347HFG 的室溫性能Table 2 Room-temperature properties of T91 and TP347HFG

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 裂紋特征觀察

對含有裂紋的異種鋼T91 與TP347HFG 焊接接頭進行檢測，未發(fā)現(xiàn)該焊接接頭根部有未焊透、未熔合、咬邊、下榻等缺陷。進一步對該接頭進行滲透試驗后發(fā)現(xiàn)，在焊接接頭收弧處，T91 側(cè)熔合線側(cè)附近發(fā)現(xiàn)裂紋(圖1)。

圖1 無損檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋Fig.1 Crack found by non-destructive inspection

開裂的異種鋼焊接接頭宏觀形貌如圖2 所示。裂紋位于異種鋼焊接接頭T91 側(cè)熱影響區(qū)位置，沿管子圓周開裂;裂紋位于管子焊接接頭熱影響區(qū)外壁，并由外壁向內(nèi)壁擴展。

圖2 開裂焊接接頭宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of cracked welding joint

異種鋼接頭T91 側(cè)熱影響區(qū)主裂紋及附近二次裂紋金相形貌如圖3 所示，T91 側(cè)熱影響區(qū)的粗晶區(qū)晶粒度范圍5～6 級，細晶區(qū)晶粒度范圍10～11 級;主裂紋由外壁開裂向內(nèi)壁擴展，總長度約為1.737 mm，位于焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)，并且主裂紋附近有數(shù)條細小的裂紋。圖4 為主裂紋尖端及附近裂紋微觀形貌，表明裂紋呈沿晶開裂特征，且并不平直擴展。

2.2 顯微組織分析

根據(jù)接頭滲透檢驗結(jié)果，在含有裂紋焊接接頭處截取試樣進行組織分析。T91 側(cè)母材金相組織為板條馬氏體，晶粒度為8～10 級(圖5a);TP347HFG 側(cè)母材組織為奧氏體+孿晶，晶粒度9～10 級(圖5b)。T91 及TP347HFG 側(cè)母材金相組織滿足相關(guān)標準要求。

對不含裂紋處的該異種鋼焊接接頭組織觀察，發(fā)現(xiàn)其各區(qū)域組織正常，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等焊接缺陷。異種鋼接頭T91 沿熔合線側(cè)有大量的塊狀鐵素體組織(圖6a)，主要在距熔合線100 μm 范圍沿熔合線分布，目前塊狀組織對接頭的性能影響程度行業(yè)內(nèi)尚未有明確的結(jié)論。同時結(jié)合主裂紋的位置距熔合線的距離924 μm(圖3a)，其位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，組織為馬氏體組織(圖6)，可知T91 側(cè)熔合線大量的塊狀鐵素體組織與裂紋的產(chǎn)生無關(guān)。

圖3 裂紋位置及長度Fig.3 Location and length of crack

圖4 裂紋形貌Fig.4 Morphology of crack

圖5 含裂紋的異種鋼母材組織Fig.5 Base metal microstructure of containing crack of dissimilar steel

圖6 不含裂紋的異種鋼焊接接頭組織Fig.6 Microstructure of dissimilar steel welding joints without crack

2.3 強度和韌性分析

對其未開裂該異種鋼焊接接頭在室溫和機組運行溫度下的力學性能進行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不含裂紋的異種鋼T91 +TP347HFG 焊接接頭在常溫及605 ℃高溫下，期強度和塑性均滿足相關(guān)標準要求(表3)。

表3 異種鋼焊接接頭室溫和高溫強度Table.3 Room-temperature and high-temperature strength of dissimilar steel weld joints

該異種鋼焊接接頭在不同位置即焊縫、T91側(cè)熱影響區(qū)、T91 母材的沖擊試驗結(jié)果見表4，可知，T91 側(cè)熱影響區(qū)的沖擊功＜T91 +TP347HFG異種鋼接頭焊縫的沖擊功＜T91 母材的沖擊功，表明T91 側(cè)熱影響區(qū)位置在整個焊接接頭區(qū)域韌性較差，脆性較大;但根據(jù)相關(guān)標準要求，其沖擊吸收功均滿足相關(guān)的標準要求。

表4 異種鋼焊接接頭沖擊韌性Table 4 Toughness of dissimilar steel welding joints

2.4 硬度分析

對焊接接頭不同區(qū)域進行顯微硬度測試，測試示意圖如圖7 所示，在距離管件外壁、內(nèi)壁≤2 mm 處各沿著一條直線從一側(cè)母材，經(jīng)過熱影響區(qū)、焊縫區(qū)測試到另一側(cè)母材。

不含裂紋的接頭硬度檢測結(jié)果見圖8，可知，T91 側(cè)熱影響區(qū)近外壁及內(nèi)壁均較寬，且出現(xiàn)硬度峰值，試樣中最高顯微硬度超過HV 300。根據(jù)標準DL/T 438—2009 中要求，T91 焊縫硬度在HB 180～270 范圍之內(nèi)，因此TP347HFG+T91 異種鋼接頭T91 側(cè)熱影響區(qū)硬度值偏高。結(jié)合沖擊韌性試驗結(jié)果可知，T91 側(cè)熱影響區(qū)存在淬硬化傾向比較大的馬氏體組織，所以T91 側(cè)熱影響區(qū)位置脆性較大。

而對含裂紋的焊接接頭檢測后發(fā)現(xiàn)，該異種鋼焊縫及TP347HFG 側(cè)熱影響區(qū)硬度值較為均勻，硬度分布在HV0.5140～160 范圍。而T91 側(cè)熱影響區(qū)較寬，寬度約為5～6 mm，可知其焊接過程中可能存在焊接規(guī)范參數(shù)較大的問題，并且在主裂紋附近的熱影響區(qū)位置出現(xiàn)焊接接頭硬度峰值，試樣中最高顯微硬度達到HV0.5433，且整個熱影響區(qū)區(qū)域硬度普遍大于HV0.5300，越靠近熔合線位置硬度越高(圖9)。且沿厚度方向整個熱影響區(qū)區(qū)域硬度值均較高。

3 分析與討論

無論是開裂的還是不含裂紋的焊接接頭，T91 側(cè)熱影響區(qū)的硬度值都較高，硬度峰值均在HV 300 以上，且沿厚度方向開裂接頭的T91 側(cè)熱影響區(qū)硬度值在HV 400 左右，由此可知開裂的主要原因是由于該高溫過熱器異種鋼焊接中熱輸入量大及焊后熱處理不當所致。

圖7 硬度測試示意圖Fig.7 Schematic illustration of hardness test

圖8 不含裂紋的焊接接頭硬度分布Fig.8 Hardness distribution of crack-free welding joints

圖9 含裂紋的焊接接頭硬度分布Fig.9 Hardness distribution of cracked welding joints

T91 材料屬于馬氏體鋼，在高溫空冷后有明顯的淬硬傾向，而且馬氏體鋼還具有較大的晶粒粗化傾向。T91 和TP347HFG 異種鋼焊接時，在T91 側(cè)的熱影響區(qū)內(nèi)將形成淬硬傾向比較大的馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域的硬度值高于T91 母材及焊縫 1 倍以上，塑韌性差。而且 T91 和TP347HFG 兩種材料之間的焊接性差異較大，化學成分、物理及機械性能不同，使其接頭在高溫運行時產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力［6］。同時馬氏體鋼的導(dǎo)熱性較差及異種鋼T91 和TP347HFG 的線性膨脹系數(shù)的差異，引起焊接接頭內(nèi)存在較大的殘余應(yīng)力;因此，為了避免T91 過熱脆化及過熱區(qū)的晶粒過分粗化和熱影響區(qū)過寬而降低接頭沖擊韌性，需要采用線能量小的焊接規(guī)范。由于T91 鋼的淬硬傾向大，易產(chǎn)生冷裂紋，所以必須對焊后T91 鋼進行熱處理［7］，但是，如果熱處理溫度偏低時得不到應(yīng)有的效果，溫度過高，有可能再次形成奧氏體，以致在冷卻時再次淬硬。因此 T91/TP347HFG 異種鋼接頭焊后的熱處理工藝要嚴格把控熱處理溫度［8］，控制升溫速率及恒溫時間，從而確保焊接接頭的性能。

綜上所述，該類異種鋼的焊接工藝及焊后熱處理不當，造成T91 側(cè)焊接熱影響區(qū)硬度偏高及沖擊韌性較差，引發(fā)裂紋在脆而硬的T91 側(cè)焊接熱影響區(qū)萌生和擴展，最終導(dǎo)致該異種鋼焊接接頭開裂，屬于淬硬脆化裂紋引起的開裂。

4 改進措施

對于該類異種鋼焊接應(yīng)嚴格執(zhí)行該類異種鋼焊接接頭的焊后熱處理工藝，控制焊接規(guī)范參數(shù)進而改善接頭組織，降低殘余應(yīng)力水平。

5 結(jié)論

1)高溫過熱器取樣管T91 +TP347HFG 異種鋼焊接接頭的抗拉強度、屈服強度、沖擊韌性及金相組織試驗結(jié)果滿足相關(guān)標準的要求。

2)焊接工藝及焊后熱處理工藝不當是導(dǎo)致異種鋼焊接接頭開裂的主要原因。

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