分享：高温过热器TP347H 钢管焊接接头开裂原因

谭晓蒙,陈 浩,乔 欣,郭心爱

[内蒙古电力(集团)有限责任公司 内蒙古电力科学研究院分公司,呼和浩特 010020] 

摘 要:某高温过热器 TP347H 钢管焊接接头多次发生开裂,采用宏观观察、化学成分分析、金 相检验、扫描电子显微镜及能谱分析、力学性能测试和双环电化学动电位再活化法试验对其开裂原 因进行分析。结果表明:TP347H 钢管焊接接头开裂性质为晶间型应力腐蚀开裂,焊接时循环热导 致的管材热影响区敏化以及焊接接头的残余应力是其开裂的主要原因。 

关键词:TP347H 钢;焊接接头;奥氏体不锈钢;晶间型应力腐蚀开裂;敏化;残余应力 中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0073-04

某电站锅炉高温过热器 TP347H 钢管在供暖 期间连续发生开裂爆漏事故,严重影响到该电站的 安全稳定运行以及供暖要求。该高温过热器钢管首 先开裂于定位块与管壁焊接接头处,钢管规格(外径 ×壁厚)为57mm×4.0mm。笔者采用一系列理化 检验方法对高温过热器 TP347H 不锈钢管焊接接 头 开 裂 爆 漏 的 性 质 及 原 因 进 行 分 析,为 今 后 TP347H 钢管的焊接工艺以及质量验收提供相应理 论参考,从而避免类似事故再次发生。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

开裂爆漏高温过热器 TP347H 钢管宏观形貌 如图1所示。由图1可知:爆漏高温过热器钢管沿 定位块端部焊缝开裂,并断裂成两段,断面旁有第二 爆口,爆口周边管壁明显减薄,判断为蒸汽介质泄漏 导致的管壁磨损爆漏,非初始爆口;钢管定位块与管 壁焊接接头过渡处较为尖锐,断面上半部分呈黑红 色,为开裂后断面氧化所致,下半部分的断面呈金属 光亮色,为取样时新断断面;断面放射状花纹收敛于 断裂源处,断裂源位于定位块焊缝边缘,裂纹沿焊缝 与管壁交接处延伸扩展。排查焊接有定位块的高温 过热器管,发现定位块焊缝边缘轴向裂纹沿焊缝边 缘扩展。

1.2 化学成分分析

采用直读光谱仪对 爆 漏 高 温 过 热 器 TP347H 钢管进行化学成分分析,结果如表1所示,可见各元 素含量均满足标准 GB/T5310—2017《高压锅炉用 无缝钢管》的要求。

1.3 金相检验

从高温过热器 TP347H 钢管定位块焊缝处沿 轴向取样,经镶嵌、磨抛,并使用三氯化铁盐酸水溶 液腐蚀后,用光学显微镜对其进行金相检验,其显微 组织形貌如图2所示。由图2可知:开裂管段断裂 面处主裂纹旁存在数条平行裂纹,裂纹沿晶间开裂; 管外壁裂纹较宽,随着裂纹向内壁不断延伸,裂纹逐 渐变细;断面主裂纹边奥氏体晶粒内有较多滑移线 与孪晶界,这些滑移线表明开裂处管段有较大残余 应力;管壁组织为单相奥氏体+析出相。 1.4 扫描电镜(SEM)分析 使用扫描电子显微镜对裂纹进行观察,结果如 图3a)所示。由图3a)可知:裂纹初始区域宽度较 图2 裂纹处显微组织形貌 宽,达到 100μm 左右,裂纹两端存在较厚的覆盖 层,使用 能 谱 仪 对 覆 盖 层 进 行 能 谱 分 析,结 果 如 图3b)所示,覆盖层主要化学元素为铁和氧,即覆盖 层主要为铁的氧化物,为运行中在裂纹内生成的氧 化腐蚀产物,可见其为陈旧裂纹。随着裂纹不断向 内壁延伸,裂纹末端区域变得曲折且细窄,裂纹旁有 与主裂纹不连通的独立沿晶微裂纹,沿晶微裂纹并 不是由外壁延伸而来[见图3c)]。 晶界附近碳化物 SEM 形貌及其能谱分析位置 如图4所示,能谱分析结果如表2所示。由图4可 知:在远离定位块焊缝处晶界上的碳化物主要为块 状及细小球状,其主要组成元素为 Nb、C,应为 Nb、 C、N 元素的化合物,这些 析 出 相 颗 粒 尺 寸 小 且 稳 定,弥散地分布在晶内和晶界上,对材料的塑性和韧 性损害较小[1-2]。在焊接接头热影响区和裂纹附近均可以观察到短棒状和连续颗粒状析出相,其成分 主要 元 素 为 Cr、Fe,应 为 M23C6 (M 为 Cr、Fe), M23C6 主要优先在晶界上析出并聚集长大,会影响 到材料的韧性[3-5]。

1.5 力学性能测试

对高温过热器 TP347H 钢管进行力学性能测 试,结果如表3所示,可见其力学性能均符合 GB/T 5310—2017的要求。

1.6 双环电化学动电位再活化法(DL-EPR)试验

对开裂的 TP347H 钢管取样并进行 DL-EPR 试验,检测其晶间腐蚀敏感性,在钢管管壁上使用线 切割方式切取试样,试样工作面积为 1cm 2,依据 GB/T29088—2012《金属和合金的腐蚀 双环电化 学动电位再活化测量方法》,在 PINE WaveDriver 200型电化学工作站上进行 DL-EPR 试验,使用三 电极系统,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂 网 电 极,试 验 溶 液 为 0.50 mol/L H2SO4 + 0.01mol/LKSCN,试 验 时 由 -400 mV 扫 描 至 600mV,再由600mV 反扫描至-400mV,扫描速 率为1.67mV/s。试验结束后,将试样用酒精擦拭 干净,再使用 SEM 观察其形貌,DL-EPR 试验结果 及试样的 SEM 形貌如图5所示,可见试样再活化 率为3.8%,表明试样有轻微晶间腐蚀倾向,其SEM 形貌无明显腐蚀沟槽,仅能观察到少量腐蚀孔洞,这 些腐蚀孔洞独立分布并未相连。

2 综合分析 

TP347H 为奥氏体不锈钢,元素 Nb会优先与 C 元素结合成为 NbC,NbN的析出相,该析出相颗粒尺 寸细小,弥散地分布在晶内,能弥散强化材料强度。 在定位块焊接过程中,焊接产生的循环热会使焊接接头周边管材升温至敏化温度区间内,促使管壁发生晶 间腐蚀,在晶界上析出 M23C6(M 为 Fe,Cr)型富铬碳 化物,这种沿晶界析出的铬的碳化物导致其周围基体 中的铬含量降低,形成“贫铬区”[6-7]。这些 M23C6 析 出相会有限析出在晶界上,使晶界产生一定程度的脆 化。定位块焊缝较短,焊接热输入也较低,仅能影响到焊接接头热影响区附近管材,钢管母材未发生明显 敏化,其再活化率为3.8%,有轻微晶间腐蚀倾向,且 断后伸长率为42%,韧性也未降低[8]。由于定位块 焊接结束后未进行固溶或去应力处理,焊接残余应力 未得到释放,且焊接接头边缘过渡比较尖锐,易产生 应力集中区域,因此在应力作用下,焊接接头边缘应 力集中区域沿晶界发生开裂。 

3 结语 

(1)TP347H 钢管定位块焊接接头开裂性质为 晶间型应力腐蚀开裂,主要是由于定位块焊接时产 生的循环热使热影响区管材发生敏化,焊接后未进 行固溶处理,从而残留较大应力,在焊接接头边缘应 力集中区发生应力腐蚀开裂。应在焊接接头收尾处 圆滑过渡,避免过渡处过于尖锐引发的应力集中。 (2)敏化的 TP347H 钢会析出短棒状和连续颗 粒状的 M23C6 型析出相,析出相优先在晶界处析出 并聚集长大,这会使晶界脆化,继而在应力作用下引 发应力腐蚀开裂。因此,在 TP347H 钢管焊接后应 进行稳定化处理,对于 TP347H 钢管来说,一般要 加热至850~930 ℃保温,这时 M23C6 析出相会全 部溶解,而稳定化元素 Ti,Nb与 C 结合形成碳化 物,可有效地消除晶间腐蚀,从而避免引起开裂[9]

来源：材料与测试网