低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋研究進(jìn)展

陳忠兵 呂一仕石 偉 齊全友王海波 邢繼濤

蘇州熱工研究院有限公司(215004)神華國華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司(葫蘆島市 125222)

低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋研究進(jìn)展

陳忠兵 呂一仕
石 偉 齊全友王海波 邢繼濤

蘇州熱工研究院有限公司(215004)
神華國華綏中發(fā)電有限責(zé)任公司(葫蘆島市 125222)

綜述了低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋的研究現(xiàn)狀，概括了近幾年工程中發(fā)現(xiàn)的新情況，并提出了需要進(jìn)一步研究的問題。再熱裂紋產(chǎn)生于接頭焊后熱處理(Postweld Heat Treatment，PWHT)過程中或高溫運(yùn)行中，其形成機(jī)理主要有四種：晶界雜質(zhì)偏析弱化、晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化、蠕變斷裂和無析出區(qū)弱化。影響再熱裂紋產(chǎn)生的主要因素有材料成分、接頭組織形態(tài)和壁厚、填充材料、預(yù)熱和后熱、焊接熱輸入、焊后熱處理工藝、應(yīng)力和應(yīng)變等。為了評(píng)價(jià)再熱裂紋敏感性，研究人員提出了理論計(jì)算方法、斷面收縮率評(píng)定準(zhǔn)則和幾種試驗(yàn)方法。針對(duì)目前工程中出現(xiàn)的新問題，認(rèn)為需要在新型耐熱鋼、厚壁耐熱鋼和長時(shí)運(yùn)行耐熱鋼再熱裂紋的機(jī)理與影響因素預(yù)防等方面繼續(xù)進(jìn)行研究。

低合金耐熱鋼 焊接接頭 再熱裂紋 形成機(jī)理 評(píng)價(jià)方法 影響因素

0序 言

低合金耐熱鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上加入Cr，Mo，V，Nb，Ti，B，W等合金元素而成。得益于Prompor，Grun，Parker等人對(duì)合金元素對(duì)鋼高溫強(qiáng)度影響的系統(tǒng)研究，20世紀(jì)30年代，低合金Mo鋼、Cr-Mo鋼、Cr-Mo-V鋼等相繼被開發(fā)出來，并被用之于鍋爐、蒸汽輪機(jī)和化工裝置[1]。20世紀(jì)60年代，中國研制的鋼102(12Cr2MoWVTiB)和Π11(12Cr3MoVSiTiB)，使電站鍋爐高溫過熱器與高溫再熱器使用壁溫提高到600～620℃[2-3]。借鑒于鋼102的設(shè)計(jì)思想，20世紀(jì)90年代日本住友公司在T22鋼的基礎(chǔ)上通過降C、減Mo、加W，同時(shí)添加少量V，Nb，N，B等元素，得到了T/P23鋼(HCM2S)，V&M公司則在

陳忠兵T22基礎(chǔ)上減C，加V，Ti，B等元素，得到了T24鋼，這兩種鋼都可用于超(超)臨界鍋爐水冷壁的選材，也可用于壁溫≤600℃的過熱器管和再熱器管[4-6]。

為了充分挖掘低合金耐熱鋼的性能并保證在役設(shè)備的安全，技術(shù)工作者對(duì)低合金耐熱鋼的特性進(jìn)行了廣泛深入的研究，其焊接接頭再熱裂紋就是其中之一[7-10]。含有Cr，Mo，V，Ti等沉淀強(qiáng)化元素的低合金耐熱鋼，焊后并不立即出現(xiàn)裂紋，反而在消除應(yīng)力處理過程中出現(xiàn)裂紋，這種裂紋被稱為消除應(yīng)力處理裂紋(Stress Relief Annealing Crack)，簡稱SR裂紋；此外，有些鋼種焊接接頭在消除應(yīng)力處理過程中不會(huì)產(chǎn)生裂紋，但在500～700℃下服役一定時(shí)間后產(chǎn)生裂紋。由于上述兩種裂紋都是焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次受熱而產(chǎn)生，因此都被稱為再熱裂紋(Reheat Crack)[11]。再熱裂紋首先于20世紀(jì)50年代在鈮穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼18Cr-12Ni-1Nb(AISI 347)的焊接接頭中被觀察到[12-13]；60年代日本在HT80鋼石油化工容器的建造和Cr-Mo鋼高溫壓力容器的建造中也遇到了再熱裂紋問題[10]；同期及隨后世界許多國家曾因再熱裂紋問題發(fā)生多起事故[14]；國內(nèi)鋼102再熱裂紋問題和導(dǎo)致的爆管，也一直被長期關(guān)注[15-16]；近幾年國內(nèi)外T23鋼在使用過程中暴露出的再熱裂紋敏感性，極大地限制了該鋼的使

用[17-18]。

為了克服焊接接頭再熱裂紋問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了長期研究，其成果對(duì)保障高溫設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長部件的使用壽命起到了積極作用。但隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)耐熱鋼服役條件更為苛刻，新型耐熱鋼不斷應(yīng)用，再熱裂紋方面也發(fā)現(xiàn)了一系列新的問題，傳統(tǒng)理論已不能全面解釋，傳統(tǒng)工藝已不能完全奏效?？偨Y(jié)有關(guān)再熱裂紋的研究成果，審視近幾年再熱裂紋方面出現(xiàn)的問題，可以發(fā)現(xiàn)過去研究中的不足，明確現(xiàn)在的研究方向和內(nèi)容，并為新問題的解決提供思路。

1再熱裂紋的形成機(jī)理

晶界優(yōu)先滑動(dòng)導(dǎo)致微裂形核、發(fā)生和擴(kuò)展的再熱裂紋生成理論已被大量試驗(yàn)所確證。也就是說，一定溫度下焊接接頭殘余應(yīng)力松弛過程中，應(yīng)力集中區(qū)域的某些晶界塑性變形量εp超過了該部位的臨界塑性變形能力εc后，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。理論上再熱裂紋的產(chǎn)生條件可用下式表達(dá)：εp>εc(1)式中，εp為局部晶界的實(shí)際塑性變形量；εc為局部晶界的塑性變形能力。

上述的理論條件已被大家所公認(rèn)，但對(duì)于影響局部晶界塑性變形量與變形能力的主要矛盾則存在不同的試驗(yàn)依據(jù)，由此產(chǎn)生了不同的再熱裂紋形成機(jī)理，總結(jié)起來主要有以下四種。

1.1晶界雜質(zhì)偏析弱化

該理論認(rèn)為，再熱裂紋的形成與晶界本身的弱化有關(guān)。在500～600℃的受熱過程中，P，S，Sb，Sn，As等元素向晶界析集，使晶界的塑性變形能力εc大大降低[19]。除了雜質(zhì)元素，某些晶界上的析出物也能降低晶界的結(jié)合能和蠕變塑性，并為再熱裂紋的形核與擴(kuò)展提供通道[20]。

1.2晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化

焊接過程中，鋼中的Cr，Mo，V，Nb，Ti等的碳化物、氮化物因受一次焊接熱作用(>1 100℃)而固溶，在隨后的冷卻過程中，這些碳化物、氮化物不能充分析出，過飽和地留在固溶體內(nèi)。二次受熱時(shí)，固溶的碳化物、氮化物在晶內(nèi)析出，產(chǎn)生晶內(nèi)強(qiáng)化，其結(jié)果使應(yīng)力松弛所需要的塑性變形集中于晶界，增加了晶界的塑性變形量εp，若εp增加到大于晶界的塑性變形能力，就會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋[21]。析出物類型也會(huì)影響再熱裂紋敏感性，如文獻(xiàn)[22]對(duì)CrMoV鋼在不同溫度下回火以析出不同類型的碳化物。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，析出M2C相越多，再熱裂紋傾向越大；M7C3或M23C6增多，再熱裂紋傾向可顯著降低。

1.3 蠕變斷裂

該理論認(rèn)為，在再熱過程中，應(yīng)力的松弛伴隨有蠕變發(fā)生，所以可以用蠕變斷裂理論來解釋再熱裂紋的形成。適用于再熱溫度條件下的蠕變斷裂可有以下兩種開裂模型。

1.3.1應(yīng)力集中條件下的楔型開裂模型

根據(jù)晶界粘滯性流動(dòng)的觀點(diǎn)，認(rèn)為在蠕變條件下，在發(fā)生應(yīng)力松弛的三晶粒交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)該應(yīng)力超過了晶界的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在此產(chǎn)生裂紋。文獻(xiàn)[17]在早期失效的T23鋼接頭中觀察到大量位于三叉晶界上的楔型蠕變裂紋，分析認(rèn)為焊縫的高硬度是產(chǎn)生楔型蠕變裂紋的內(nèi)因，接頭本身較高的應(yīng)力水平是形成裂紋的力學(xué)條件，雖然該文獻(xiàn)認(rèn)為該裂紋并不是嚴(yán)格意義上的再熱裂紋，但也認(rèn)為它們存有共性。

1.3.2空位聚集開裂模型

點(diǎn)陣空位在應(yīng)力和溫度作用下能夠發(fā)生運(yùn)動(dòng)，當(dāng)空位聚集到與應(yīng)力方向垂直的晶界上并達(dá)到足夠的數(shù)目時(shí)，晶界的結(jié)合面遭到破壞而產(chǎn)生空洞，在應(yīng)力繼續(xù)作用下，空洞擴(kuò)大而成為裂紋。文中筆者在分析長時(shí)運(yùn)行CrMoV鋼焊縫金屬橫向再熱裂紋時(shí)，就發(fā)現(xiàn)了晶界上的孔洞、由孔洞聚集成的微裂紋和由微裂紋形成的宏觀裂紋，裂紋沿原始奧氏體晶界以串集的孔穴型開裂出現(xiàn)。文獻(xiàn)[23]采用模擬焊接熱循環(huán)加熱試件的短期蠕變破斷試驗(yàn)研究T23鋼的再熱裂紋機(jī)理，也發(fā)現(xiàn)其再熱裂紋是一種晶界孔洞聚集所致的蠕變開裂。1.4 無析出區(qū)弱化

文獻(xiàn)[24-26]在研究T23鋼再熱裂紋機(jī)理時(shí)，提出了無析出區(qū)弱化機(jī)理。T23鋼在受熱過程中，晶內(nèi)和晶間碳化物的析出引起錯(cuò)配應(yīng)力，同時(shí)通過Orwan機(jī)制引起晶內(nèi)和晶界強(qiáng)化，導(dǎo)致無析出區(qū)形成和軟化。在消除應(yīng)力的熱處理過程中,弱化的無析出區(qū)與硬化的晶內(nèi)和晶界間產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度梯度，結(jié)果使應(yīng)變集中在弱化的無析出區(qū)，韌性下降直至發(fā)生開裂。

以上4種機(jī)理分別針對(duì)某個(gè)鋼種或某種合金系提出，故可能都存在一定的局限性，在解釋一些問題時(shí)存在不足。如晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化機(jī)理中，碳化物在強(qiáng)化晶內(nèi)的同時(shí)也會(huì)強(qiáng)化晶界；沉淀強(qiáng)化效應(yīng)明顯的Mn-Mo-Nb鋼反而比沉淀強(qiáng)化弱一些的Cr-Mo-V鋼具有更小的再熱裂紋敏感性；在高溫下蠕變脆性產(chǎn)生所需的時(shí)間相當(dāng)長，有的要1 000 h以上，而實(shí)際的再熱裂紋發(fā)生時(shí)間只有數(shù)分鐘到數(shù)十分鐘。另外,對(duì)于具體某一鋼種而言,再熱裂紋形成的機(jī)理很可能并非是單一的，而是兩種或多種機(jī)理的聯(lián)合作用[27]。

2再熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)方法

2.1 理論計(jì)算方法

為了定量評(píng)價(jià)低合金鋼材料的再熱裂紋敏感性，研究人員在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到了多種經(jīng)驗(yàn)公式見表1。需要注意的是，這些經(jīng)驗(yàn)公式都是在一定條件下得到的，只有在其相應(yīng)的條件下才可以使用；這些公式也未考慮元素間的相互作用，因此與實(shí)際再熱裂紋敏感性會(huì)有一定偏差。

2.2 RoA再熱裂紋敏感性評(píng)定準(zhǔn)則

進(jìn)行模擬焊接熱循環(huán)短期蠕變破斷試驗(yàn)，將試樣分別加熱到不同溫度，保溫一定時(shí)間，然后以0.5 mm/min的應(yīng)變速率直到拉斷，根據(jù)高溫?cái)嗔褧r(shí)的塑性指標(biāo)即斷面收縮率Z(Reduction of Area，RoA)來判斷材料再熱裂紋敏感性[32]：當(dāng)Z<5%，非常敏感；當(dāng)5%20%，不敏感。

表1低合金鋼再熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)公式

2.3再熱裂紋試驗(yàn)方法

可以通過試驗(yàn)方法，評(píng)定材料的再熱裂紋敏感性?？刹捎玫脑囼?yàn)方法有[31]：插銷再熱裂紋試驗(yàn)，H型拘束試驗(yàn)，斜y形坡口再熱裂紋試驗(yàn)，BWRA管件環(huán)縫再熱裂紋試驗(yàn)，MRT再熱裂紋試驗(yàn)等。

3 再熱裂紋影響因素

3.1 材料化學(xué)成分

3.1.1 合金化元素

合金化元素對(duì)再熱裂紋的影響隨鋼種和合金的不同而不同。對(duì)于Cr-Mo類珠光體耐熱鋼，當(dāng)Mo含量達(dá)1.0%、Cr含量達(dá)0.5%后，隨Cr含量繼續(xù)增加，再熱裂紋率反而下降[22]。在鋼中含V時(shí)，再熱裂紋率顯著增加；在1Cr-0.5Mo鋼中，隨著V量增加，C的影響加大；V，Nb，Ti，Mo幾種元素由強(qiáng)到弱，V對(duì)再熱裂紋影響最大[22]。文獻(xiàn)[33]報(bào)道了Cr-Mo鋼中Cr，Mo的復(fù)合作用及P對(duì)Cr，Mo的復(fù)合作用的影響。Mo含量一定時(shí)，隨Cr含量增加，再熱裂紋敏感性升高，在達(dá)到最大值1.2%后，隨Cr含量增加再熱裂紋敏感性反而減?。籆r含量一定時(shí)，隨Mo含量增加，裂紋敏感性提高。文獻(xiàn)[34]發(fā)現(xiàn)Ti對(duì)T23鋼再熱裂紋的影響明顯，將Ti控制在一定范圍可降低再熱裂紋敏感性。

3.1.2 雜質(zhì)元素

再熱裂紋的形成與雜質(zhì)元素存在密切關(guān)系。鋼中雜質(zhì)偏聚于晶界并使之弱化，增大再熱裂紋傾向，使再熱裂紋的敏感溫度區(qū)間顯著向左方移動(dòng)。雜質(zhì)元素中，影響最為顯著的是S，P，B等元素。

固溶的S能引起晶界空穴生長，晶界上再析出的MnS促使空洞形成；雜質(zhì)元素晶界偏析引起晶界脆化，使晶界裂紋萌生的應(yīng)力降低。Bikad D等人[35]研究MnMoNiCr鋼中S偏聚誘導(dǎo)的再熱裂紋現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)，S以擴(kuò)散蠕變或擴(kuò)散孔洞增長方式被迫聚集到孔洞或裂紋前沿的晶界處，如果應(yīng)力足夠大，只要硫夾雜物達(dá)到臨界值，擴(kuò)散區(qū)局部就可能形成再熱裂紋。Magula V等人[36]在研究低合金鋼3Cr0.7Mo0.3V和2Cr0.6Mo0.1V1.2Ni時(shí)發(fā)現(xiàn)，材料的斷面收縮率與S含量呈正比關(guān)系，S的臨界含量為0.008%；P在鋼中發(fā)生偏聚，且偏聚行為受其它元素的影響。

B能增大鋼的再熱裂紋敏感性，且對(duì)再熱裂紋的作用總是與N相聯(lián)系。Ishikawa S等人[37]利用高純MnMoNiCr鋼研究了550℃時(shí)B對(duì)再熱裂紋的影響，提出以下假說：在不含B的鋼中，N的偏聚抑制了S在晶界的偏聚，因此它限制了裂紋尖端之后S在自由表面的含量，從而抑制了裂紋的擴(kuò)展；而在含B鋼中，B和N的結(jié)合降低了N的偏聚，導(dǎo)致更多的S偏聚到晶界，增大了裂紋的擴(kuò)展速率。

其它雜質(zhì)元素也可能對(duì)再熱裂紋產(chǎn)生影響。Chauvy等人[38]發(fā)現(xiàn)，在2讈?zhàn)嶤r-1Mo-讈?zhàn)嶸鋼埋弧焊焊縫中產(chǎn)生的橫向再熱裂紋與焊縫中Pb，Bi，Sb含量有關(guān)，當(dāng)Pb+ Bi+0.03Sb>1.5×10-6時(shí)，焊縫金屬對(duì)再熱裂紋敏感。這也解釋了即使同一牌號(hào)的鋼材，不同爐號(hào)，有時(shí)也會(huì)有不同的再熱裂紋敏感性。

3.2 組織形態(tài)

晶粒度影響再熱裂紋敏感性。粗晶區(qū)晶粒度越大，越易產(chǎn)生再熱裂紋。粗大的晶粒降低接頭的蠕變塑性，而當(dāng)晶粒較小時(shí)，晶界所占的面積相對(duì)大，在其它條件均相同的情況下，晶界所能承受的蠕變變形量也相對(duì)大，形成再熱裂紋的傾向相應(yīng)減小。

同一種材料不同的組織，其再熱裂紋敏感性與敏感溫度區(qū)間也可能存在差異。文獻(xiàn)[39]采用再熱裂紋插銷試驗(yàn)研究兩種不同原始組織狀態(tài)12Cr1MoVG鋼再熱裂紋敏感性時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)組(組織為鐵素體+少量貝氏體)臨界斷裂初應(yīng)力值整體高于B組(組織為貝氏體+少量鐵素體)，且F組再熱裂紋最敏感溫度為650℃，B組的為690℃。而根據(jù)SW-CCT圖，t8/3不同，12Cr1MoVG鋼的CGHAZ組織存在很大差異[40]。

組織狀態(tài)也會(huì)對(duì)再熱裂紋的生成產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)[15]發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)PWHT的12Cr2MoWVTiB鋼接頭在運(yùn)行中產(chǎn)生再熱裂紋，其粗晶區(qū)高淬硬狀態(tài)的板條馬氏體組織是促進(jìn)裂紋產(chǎn)生的重要原因。HAZ的硬度雖非評(píng)價(jià)再熱裂紋敏感性的一種可靠方式，但它是接頭中預(yù)應(yīng)變水平或位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)回復(fù)程度的一個(gè)標(biāo)識(shí)。HAZ的硬度越高，接頭中預(yù)應(yīng)變水平越高或位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)回復(fù)程度越低，因此形成再熱裂紋的傾向越大。

3.3 壁厚

接頭厚度增加，對(duì)接頭的冶金因素與力學(xué)因素都產(chǎn)生較大影響，從而對(duì)再熱裂紋的生成產(chǎn)生較大影響：①材料的韌性降低，材料的臨界塑性變形能力降低[41-42]；②焊接層道數(shù)增加，HAZ應(yīng)變增加；③熱處理時(shí)溫度梯度增加，焊接接頭殘余應(yīng)力加大[43]。

Griffiths等人[44]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壁厚與接頭裂紋存在密切關(guān)系。文獻(xiàn)[45]在壁厚96.9 mm的12Cr1MoVG集箱接頭上發(fā)現(xiàn)再熱裂紋，雖經(jīng)PWHT，測得的殘余應(yīng)力仍為133～255 MPa，其最大值已達(dá)12Cr1MoVG材料的屈服點(diǎn)下限255 MPa。

3.4 填充材料

對(duì)于耐熱鋼，一般選擇成分相等或相近的填充材料，以保證焊縫金屬與母材有相等或相近的熱強(qiáng)性與熱穩(wěn)定性。但從降低接頭再熱裂紋傾向出發(fā)，選擇比母材強(qiáng)度稍低、塑性更高的填充材料，可以提高接頭塑性變形能力，降低接頭的應(yīng)力集中程度，從而降低再熱裂紋敏感性[14]。焊縫表面采用低強(qiáng)度高塑性焊材蓋面也是一種有效的方法[31]。

3.5 預(yù)熱和后熱

焊前預(yù)熱有利于降低接頭的殘余應(yīng)力，減小過熱區(qū)的硬化，形成對(duì)裂紋不敏感的顯微組織，因此預(yù)熱可以有效地防止再熱裂紋。但是，預(yù)防再熱裂紋的預(yù)熱溫度一般要比預(yù)防冷裂紋的溫度更高，或者還需要與其它措施相配合，如使用高韌性焊接材料、焊接后熱等[14]。

后熱可有效消除焊縫中的擴(kuò)散氫，減少焊縫中殘余的空穴，同時(shí)可使焊縫晶界的有害雜質(zhì)元素S，P等進(jìn)一步彌散，減小因雜質(zhì)偏聚而導(dǎo)致再熱裂紋形成的幾率。工程中因受到實(shí)際條件的限制而不允許高的預(yù)熱溫度時(shí)，可以配合采用后熱措施。

3.6 焊接熱輸入量

焊接熱輸入量對(duì)再熱裂紋有兩個(gè)方面的影響。大的熱輸入量有利于減小拘束應(yīng)力，降低粗晶區(qū)硬度，使焊接過程中晶內(nèi)沉淀強(qiáng)化析出物更多，減少再次受熱時(shí)析出相的強(qiáng)化作用，從而有利于減小再熱裂紋傾向。但另一方面，大的熱輸入量粗化熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒，增大晶界的應(yīng)變，從而增加再熱裂紋傾向。因此，從降低再熱裂紋傾向出發(fā)，對(duì)于晶粒長大敏感的低合金耐熱鋼，焊接時(shí)應(yīng)選擇低熱輸入焊接方法，并采用小熱輸入；對(duì)于晶粒長大不敏感的低合金耐熱鋼，可選擇較大的焊接熱輸入。如文獻(xiàn)[46]采用熱模擬方法研究07MnNiCrMoVDR鋼再熱裂紋敏感性，當(dāng)采用小熱輸入量輸入時(shí)，HAZ組織在高溫下塑性很好，再熱裂紋敏感性低；大熱輸入條件下，HAZ斷面收縮率隨溫度變化較大，表現(xiàn)出對(duì)再熱裂紋敏感，最敏感溫度約600℃。

3.7 焊后熱處理工藝

由于低合金耐熱鋼存在再熱裂紋敏感溫度區(qū)間，因此PWHT時(shí)，在保證滿足改善組織和消除應(yīng)力的條件下，應(yīng)盡量避免恒溫溫度處于敏感溫度區(qū)，且在升降溫過程中減少在敏感溫度區(qū)停留時(shí)間。

研究表明，提高加熱速度有利于防止再熱裂紋，這是因?yàn)閷?duì)于一定合金，強(qiáng)化速度一定，如果其加熱速度超過其析出強(qiáng)化速度(或時(shí)效硬化速度)，就不致形成再熱裂紋。此外還可采用低溫PWHT、中間分段PWHT、完全正火處理等避開再熱裂紋敏感溫度區(qū)間的工藝。3.8 應(yīng)力與應(yīng)力集中

接頭應(yīng)力大小與應(yīng)力集中程度，直接關(guān)系到再熱裂紋的形成。文獻(xiàn)[43]在研究三通接頭再熱裂紋時(shí)，發(fā)現(xiàn)裂紋起裂位置與接頭最大應(yīng)力位置有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。強(qiáng)力對(duì)口的焊接接頭，焊接時(shí)更易形成再熱裂紋；缺口位于粗晶區(qū)和有余高又有咬邊的情況常導(dǎo)致產(chǎn)生再熱裂紋；PWHT前仔細(xì)修整焊趾有利于減小應(yīng)力集中，對(duì)防止再熱裂紋有良好的效果。

3.9 應(yīng)變

文獻(xiàn)[12]研究表明，對(duì)于厚壁件隨著焊接層道數(shù)增加，HAZ應(yīng)變增加，使接頭的韌性下降，成為厚壁結(jié)構(gòu)再熱裂紋敏感性增強(qiáng)的原因之一。文獻(xiàn)[47]在進(jìn)行焊接熱模擬循環(huán)的同時(shí)施加不同的應(yīng)變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著所施應(yīng)變量的增加，蠕變斷裂時(shí)間減小，蠕變塑性下降，再熱裂紋敏感性增強(qiáng)，表明焊接熱循環(huán)過程中的應(yīng)變確能對(duì)粗晶區(qū)造成塑性損傷。

4有待繼續(xù)研究的問題

4.1新型低合金耐熱鋼T23再熱裂紋機(jī)理與影響因素

新型低合金耐熱鋼T23一方面表現(xiàn)出優(yōu)異的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，另一方面其接頭曾因裂紋問題嚴(yán)重困擾工程界。大量研究表明，T23鋼具有較強(qiáng)的再熱裂紋敏感性，再熱裂紋機(jī)理為蠕變斷裂[48-49]。但是這些理論仍對(duì)許多現(xiàn)象還不能全面或合理的解釋，如即使未經(jīng)焊后熱處理或高溫運(yùn)行，僅僅受后續(xù)多次焊接過程短暫的熱作用，前次接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)也能產(chǎn)生再熱裂紋；裂紋從工程可檢到擴(kuò)展至泄漏，承載時(shí)間可以非常短暫。

因此，繼續(xù)開展新型耐熱鋼T23鋼焊接接頭再熱裂紋的研究，一方面是解決目前面臨的工程技術(shù)問題，為已用T23鋼的監(jiān)測與檢驗(yàn)提供技術(shù)支持，也為T23鋼材料的選用提供依據(jù)；另一方面，對(duì)T23鋼接頭裂紋的研究，將掌握和完善以T23鋼為代表的新型多元復(fù)合強(qiáng)化耐熱鋼再熱裂紋機(jī)理，深化對(duì)焊接再熱裂紋理論和材料高溫變形與斷裂理論的研究，促進(jìn)材料學(xué)和焊接學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步。

4.2壁厚件再熱裂紋敏感性緩解措施

隨著服役參數(shù)的提高，低合金耐熱鋼使用壁厚越來越厚。如前所述，隨著壁厚的增加，材料的再熱裂紋傾向也隨之加大。針對(duì)于具體結(jié)構(gòu)，研究人員提出了許多降低再熱裂紋敏感性的措施，如提高預(yù)熱溫度，合理設(shè)計(jì)焊接順序，PWHT時(shí)提高再熱裂紋敏感溫度區(qū)間升降溫速度，合理延長恒溫時(shí)間等[50]。這些措施對(duì)緩解厚壁件再熱裂紋起了積極作用，但這些措施對(duì)再熱裂紋產(chǎn)生的定量影響，還缺乏相應(yīng)的理論或試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)研究壁厚增加對(duì)裂紋產(chǎn)生的冶金因素(如母材性能、接頭粗晶區(qū)性能)和力學(xué)因素(如殘余應(yīng)力、PWHT時(shí)的溫度場和應(yīng)力場)的影響規(guī)律，掌握厚壁件再熱裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵控制參量，將有助于開發(fā)和優(yōu)化焊接工藝，獲得普遍適用的厚壁件接頭再熱裂紋緩解措施。

4.3長時(shí)運(yùn)行接頭再熱裂紋產(chǎn)生原因

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，近年來發(fā)現(xiàn)了很多長時(shí)運(yùn)行低合金耐熱鋼接頭的裂紋具有典型的再熱裂紋特征，明顯區(qū)別于蠕變、疲勞損傷裂紋[51-52]。初步研究發(fā)現(xiàn)，這些裂紋的出現(xiàn)與局部組織老化有一定關(guān)系，即出現(xiàn)裂紋的區(qū)域(HAZ粗晶區(qū)或焊縫)組織老化更嚴(yán)重，但未受焊接或PWHT熱作用的母材組織老化輕微得多。

低合金耐熱鋼長時(shí)高溫服役過程中，會(huì)出現(xiàn)珠光體球化、α固溶體中合金元素貧化、碳化物相結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)變以及晶界附近區(qū)域的合金元素貧化等。從前面的綜述可看出，再熱裂紋的出現(xiàn)與析出物的析出、晶界的變化都有著緊密關(guān)系，焊接工藝、PWHT參數(shù)等對(duì)接頭初始組織有著極大影響。在再熱裂紋研究中，對(duì)于長時(shí)運(yùn)行后組織變化與長時(shí)運(yùn)行產(chǎn)生的再熱裂紋的關(guān)系，還未見研究報(bào)道。

研究長時(shí)運(yùn)行后再熱裂紋，有助于分析接頭再熱裂紋產(chǎn)生的原因并提出預(yù)防措施，有助于在建造時(shí)優(yōu)化焊接與PWHT工藝。

4.4橫向再熱裂紋產(chǎn)生原因

工程中發(fā)現(xiàn)，某些低合金耐熱鋼接頭高溫運(yùn)行后，其焊縫金屬中產(chǎn)生一種橫向再熱裂紋。如文獻(xiàn)[51]和[52]分別在運(yùn)行6萬和7萬小時(shí)的15Cr1Mo1V鋼焊縫中發(fā)現(xiàn)再熱裂紋，兩者的焊接材料分別是R337 (1.5Cr-1Mo-V-Nb)和R317(1Cr-0.5Mo-V)；文獻(xiàn)[38]在2讈?zhàn)嶤r1Mo讈?zhàn)嶸鋼埋弧焊焊縫中發(fā)現(xiàn)橫向再熱裂紋；文中筆者在高溫運(yùn)行后的12Cr1MoVG小徑管接頭焊縫金屬中也發(fā)現(xiàn)橫向再熱裂紋。

與傳統(tǒng)縱向再熱裂紋比較，上述橫向再熱裂紋的形態(tài)有著很大不同：其產(chǎn)生于焊縫中而非HAZ粗晶區(qū)，常常會(huì)有多條相互接近平行的裂紋同時(shí)存在；部分裂紋僅存在于焊縫金屬中，部分已擴(kuò)展至接頭粗晶區(qū)，但在深度方向上的擴(kuò)展量可以遠(yuǎn)大于在長度方向上的擴(kuò)展，因此曾發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展至泄漏時(shí)，裂紋在焊縫上長度并不長。

裂紋的形態(tài)在某種程度上是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生原因的本質(zhì)因素的具體表現(xiàn)。從上述橫向再熱裂紋形態(tài)、產(chǎn)生的工況條件初步分析認(rèn)為，該形態(tài)裂紋的產(chǎn)生不僅與運(yùn)行載荷有關(guān)，也與建造時(shí)的焊接工藝、焊后熱處理工藝等相關(guān)。但關(guān)于橫向再熱裂紋的原因，與建造工藝、運(yùn)行載荷等的關(guān)系，還未見系統(tǒng)的研究報(bào)道。

5 結(jié)束語

雖然關(guān)于低合金耐熱鋼再熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素等已有大量研究，但這些理論對(duì)部分再熱裂紋的發(fā)生仍不能全面解釋。針對(duì)近幾年工程中發(fā)現(xiàn)的新問題，認(rèn)為目前至少仍需在以下幾個(gè)方面繼續(xù)對(duì)低合金耐熱鋼焊接接頭再熱裂紋進(jìn)行研究：①多元復(fù)合強(qiáng)化新型耐熱鋼再熱裂紋機(jī)理與影響因素；②傳統(tǒng)耐熱鋼壁厚增加后再熱裂紋緩解措施；③長時(shí)運(yùn)行接頭再熱裂紋(包括縱向裂紋和橫向裂紋)的產(chǎn)生原因。這些既是工程所需，也是學(xué)科發(fā)展和進(jìn)步所需。

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2016-10-12

國華電力股份有限公司2015年科技創(chuàng)新項(xiàng)目