分享：某锅炉屏式过热器异种钢焊接接头断裂原因

李万超,徐 航,梁宝琦

(高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室 哈尔滨锅炉厂有限责任公司,哈尔滨 150046) 

摘 要:某亚临界电站锅炉屏式过热器异种钢焊接接头在运行过程中发生断裂。通过宏观观 察、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、微观分析等方法,对该异种钢焊接接头的断裂原因进 行了分析。结果表明:屏式过热器接头两边母材蠕变强度差较大引起了该异种钢焊接接头的早期 失效,同时焊接质量及成形不佳,焊接接头受到膨胀热应力、焊接残余应力、温度波动热疲劳等因素 影响加速了此过程,最终导致该异种钢焊接接头断裂。 

关键词:屏式过热器;异种钢焊接;焊接接头;蠕变强度;早期失效 中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)04-0043-05

20世纪80年代后期国内电站锅炉开始使用异种 钢焊接接头。电站锅炉异种钢焊接接头主要分为铁素 体钢/铁素体钢和铁素体钢/奥氏体钢两大类,其中常 见的铁素体钢/奥氏体钢焊接接头有12Cr1MoVG/ TP304H (TP347H ),12Cr2MoWVTiB/TP304H (TP347H),T91(T92)/S30432 和 T91(T92)/ TP310HCbN 等,这些焊接接头一般采用奥氏体钢 或镍基合金作为焊接材料。异种钢焊接接头的早期 失效是世界性的问题,即使采用镍基合金焊接材料 的异种钢焊接接头的失效概率较低,但也有时会达 不到设计寿命[1]。 某亚临界电站锅炉屏式过热器在运行过程中发 生泄漏,泄漏位置为屏式过热器出口左数第7屏炉 后第2根管子对接环焊缝。屏式过热器出口蒸汽温 度 为 530 ℃,压 力 为 17 MPa。 断 裂 接 头 为 12Cr2MoWVTiB 钢 (以 下 简 称 G102 钢 )和 SA- 213M TP347H 钢(以下简称 TP347H 钢)的异种钢 接头,焊接材料为 ERNiCr-3。两侧母材中 G102钢 管公称规格为?60mm×9mm,TP347H 钢管公称 规格为?60 mm×9.5 mm。截止泄漏时共运行约 8×10 4h。为查明泄漏原因,笔者对断裂接头进行 了检验分析,以避免类似事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂接头进行宏观观察,如图1所示,可见接 头断为两段,裂纹在焊接接头处沿着 G102钢管侧熔合线环向开裂。管子整体无明显胀粗、壁厚减薄 和弯曲变形,焊缝表面及母材边缘有两处打磨测硬 度痕迹,焊缝表面呈两次盖面。G102钢管外表面覆 有一层红褐色灰渣,并有部分掉落。 对断口横截面进行观察,如图2所示,由于高温 蒸汽的氧化及冲刷作用,原始断裂面消失,断口较平 齐且无明显塑性变形,表面覆盖一层氧化物。观察 G102钢管内壁,有部分氧化皮脱落。焊缝断口表面 靠近外壁处有一直径约?3 mm 的焊渣缺陷,说明 焊接质量不佳,焊渣缺陷附近有一条长约25mm 的 打磨测硬度痕迹。

进一步观察焊接接头纵截面宏观形貌,如图3 所示,可见焊接接头焊缝宽度较大,焊缝经过至少4 道焊接,焊根打底熔敷金属向外流淌较多,填充焊缝 向 G102钢管侧凸起,对母材熔解较多,说明焊接局 部热输入过大。焊缝两侧母材壁厚明显不一,焊缝 余高不足,可知此焊缝成形不佳。

1.2 化学成分分析

采用 QSN-750型直读光谱仪对管子和焊缝进 行化学成分分析,结果见表1~表3。可见 G102钢 管化学成分满足 GB/T5310-2008《高压锅炉用无 缝 钢管》的技术要求,TP347H钢管化学成分满足ASMESA-213M-2017《锅炉、过热器和换热器用 无缝铁素体和奥氏体合金钢管子》的技术要求。焊 缝 的 化 学 成 分 与 ASMEII卷 C 篇 SFA- 5.14/SFA-5.14M 中 ERNiCr-3成分存在一定偏差, 主要元素种类及含量与 ERNiCr-3焊材基本吻合。 产生上述结果的原因为焊接过程中母材金属的熔 融,对焊材熔敷金属化学成分有一定的稀释作用,可 基本排除错用焊材导致接头断裂的可能性。

1.3 力学性能试验 

在焊缝两侧管子上取样,采用 WDW-300E 型 电子万能试验机和 THVS-50型维氏硬度计对其进 行室温拉伸试验和硬度测试,结果见表 4 和表 5。 可见 G102钢管力学性能满足 GB/T5310-2008的 技术要求,TP347H 钢管力学性能满足 ASMESA- 213M-2017的技术要求。 取焊缝试样进行各区域硬度试验,试验结果见 图4。结果表明,接头两侧热影响区的硬度皆高于 母 材 的;G102 钢 管 靠 近 熔 合 线 区 域 硬 度 为 317HV10,与焊缝及远离焊缝 G102钢管热影响区 有较高的硬度差。

1.4 金相检验 

取焊接接头试样进行磨制和抛光,对两侧分别 采用盐酸 酒 精 溶 液 和 硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蚀 后,使 用 ZeissAxiovert200MAT 型金相显微镜观察焊接接 头各区域显微组织形貌,结果见图5~图10。G102 钢管母材显微组织为回火贝氏体,晶粒度4级,老化3级,无过热迹象,熔合线附近有明显条状析出物。 TP347H 钢管母材显微组织为奥氏体+碳化物,晶 粒度6级,老化2级,无过热迹象。焊缝显微组织为 典型的奥氏体柱状晶。

1.5 微观分析 

采用 Apollo300 型 扫 描 电 镜(SEM)对 图 6 中 G102钢管侧熔合线区域进行形貌观察和能谱分析, 结果见图11~图13。面扫描能谱分析结果表明,图6 中在G102钢管侧熔合线附近分布的条状析出物碳含 量较高,为碳的化合物。如图12白亮区域所示,碳化 物呈不规则颗粒状。图13表明,碳化物边缘近似三 角形区域铬、镍含量较高,为焊缝熔敷金属残留。

2 分析与讨论 

G102钢管的化学成分、力学性能、显微组织和 晶粒度符合 GB/T5310-2008的技术要求,老化3 级。TP347H 钢管的化学成分、力学性能和晶粒度 符合 ASMESA-213M-2017的技术要求,显微组织为正常奥氏体组织,老化2级。两段钢管皆无过 热迹象。 异种钢焊缝熔合线附近有焊渣缺陷,焊根熔敷 金属外淌较多,可见焊接质量和焊缝成形不佳。 裂纹沿着 G102钢管侧熔合线环向开裂,断口 平齐且无明显塑性变形。G102钢管靠近熔合线区 域硬度为317HV10,相比焊缝及远离焊缝 G102钢 管热影响区有较高硬度差。G102钢管熔合线附近 有明显条状碳化物析出,碳化物呈不规则颗粒状,为 Ⅰ型碳化物[2]。综合以上因素,对接环焊缝失效形 式符合异种钢焊接接头早期失效特征[3]。 在长时高温下,碳原子的扩散能力要比其他元 素大1×10 4~1×10 5 倍,碳原子扩散过程中遇到强 碳化物形成元素,会在高铬和钒区的 G102钢管熔 合线附近形成碳化物层,使 G102钢管靠近熔合线 区域硬度明显升高,裂纹在该低塑性Ⅰ型碳化物处 形核、长大。母材、焊缝蠕变强度不匹配使得铁素体 钢侧的焊缝界面成为接头的薄弱部位。据研究表 明,蠕变强度差越大,低强度区的应力三轴度就越 大,从而更快地加速了裂纹的形核、扩展和连接,导 致异种钢接头早期失效[4]。从现场运行情况了解 到,在 G102钢管运行了7×10 4h后,电厂切除原异 种钢焊接接头,然后进行了重新焊接,并再次运行了 近1×10 4h。异种钢焊接接头两侧母材具有较大的蠕变强度差,促使了异种钢焊接接头的早期失效。 同时焊接接头质量及成形不佳,焊接接头受到 膨胀热应力、焊接残余应力和温度波动热疲劳等因 素影响都会加速异种钢焊接接头早期失效。

3 结论及建议

屏式过热器管子两边母材蠕变强度差较大引起 了屏式过热器异种钢焊接接头早期失效,同时焊接 质量及成形不佳,焊接接头受到膨胀热应力、焊接残 余应力和温度波动热疲劳等因素影响加速了此过 程,最终导致该异种钢焊接接头断裂。 建议对异种钢焊缝进行无损探伤检测,发现裂 纹及时处理,必要时更换管子,减小异种钢焊缝两侧 蠕变强度梯度。

来源：材料与测试网