锅炉受热面管异种钢焊接接头常见失效原因分析

　　摘要：电厂锅炉受热面管屏失效类型多种多样，其中异种钢焊接接头开裂泄漏是受热面管屏泄漏的一种常见原因。异种钢焊接接头出现失效较多的是铁素体钢与奥氏体钢的焊接接头，此类焊接接头多采用镍基焊丝。其成分与焊接接头两侧的母材差异较大，尤其铁素体一侧的熔合线两侧会形成一种异质界面。该异质界面两侧由于相成分的差异，其结合力较弱;两侧材料的热膨胀系数不同，机组热负荷变化时会产生较大的热应力;两侧材料化学电位存在差异，在腐蚀性环境中易产生电化学腐蚀。

　　关键词：异种钢; 焊接接头; 失效

　　引言

　　超超临界火电机组因具有高效、节能、环保的特点，从而获得世界各国的广泛重视与发展。在火电机组运行过程中，其内部高温过热器、高温再热器等高温部件不同区段蒸汽压力和温度不同，使得其在电厂锅炉结构中大量采用T91/TP347H等异种钢焊接接头。然而，异种钢焊接接头服役条件苛刻，随着服役时间的延长会出现组织老化，性能发生劣化，进而埋下事故的隐患。因此，为了保证电厂锅炉的安全运行，对异种钢焊接接头组织与性能的演变规律开展研究具有重要意义。

　　焊接论文范例：铝合金焊接加工工艺及焊接裂纹的防治措施

　　1T91钢侧HAZ细晶区开裂

　　(1)失效部件整体形貌。异种钢焊接接头若一侧管材为T91钢，则T91钢侧HAZ细晶区常为焊接接头的薄弱环节，常出现开裂失效。某机组高温过热器存在异种钢焊接接头，接头两侧的母材分别为TP347钢和T91钢。在投运后约3.6万h在T91钢侧出现环向裂纹。裂纹约一半圆周长，距离T91钢侧熔合线2～3mm。(2)金相分析。在焊接接头处取样做金相分析，可以发现裂纹贯穿整个壁厚，从外壁向内壁扩展，浸蚀后发现裂纹位于细晶区与不完全重结晶区交界处;细晶区有少量蠕变孔洞及裂纹，裂纹两侧则有大量蠕变孔洞及裂纹，组织均为回火索氏体，马氏体位向不可见;远离裂纹的母材组织为回火马氏体。

　　2异种钢焊接

　　2.1试验材料与方法

　　试验材料为服役10年的T91/TP347H的异种耐热钢管焊接接头，对该接头在750℃下进行高温时效处理，时效处理时间分别为0、150、300和450h。利用LeicaDMI3000M型光学显微镜和HitachiSU8010型场发射扫描电子显微镜对焊接接头各区域的微观组织进行观察;通过能谱仪对析出物进行成分分析;采用MHVD-1000IS型显微硬度计对焊接接头各区域进行硬度测试;测试焊接接头的室温拉伸性能的设备是Z330E电子拉力试验机。

　　2.2预热温度和层间温度

　　预热温度的选择受到母材板厚、母材碳当量、焊材扩散氢含量和焊接线能量的多重影响。通常情况下，预热温度随着母材板厚、母材碳当量和焊材扩散氢含量的增大而增大，随着焊接线能量的增加而减小。本焊接接头的预热温度通过查表法来确定，查表法在ISO/TR17671-2和AWSD1.1/D1.5中均有叙述。

　　(1)母材板厚按照30mm作为界限，可以覆盖所有产品板厚;(2)碳当量按照20Cr标准上限化学成分CEV=0.57来考虑，这样可以覆盖所有碳当量的母材。Q460C的碳当量小于20Cr，接头两侧都执行同一预热温度;(3)由于选用的是实心焊丝，扩散氢等级≤5mL/100g;(4)焊接线能量按照最小0.5kJ/mm来执行，实际编写焊接工艺时也要严格按照线能量大于此数值。综合上述条件，经查表，预热温度定为175℃。层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降，故层间温度控制在175～250℃。

　　3失效原因分析

　　从裂纹位置及裂纹处的显微组织判断，该裂纹属于典型的Ⅳ型裂纹。产生Ⅳ型裂纹需具备组织和应力2个条件。在组织方面，由于细晶区处于焊接热循环的Ac1～Ac3温度区间，焊接冷却后形成的马氏体组织并不稳定，在焊后热处理时(根据组织硬度判断该接头T91钢侧进行了焊后热处理)，这种马氏体容易分解，形成铁素体+碳化物组织，高温运行时该组织蠕变强度低，在一定应力下容易出现蠕变孔洞及裂纹。

　　4试验结果与分析

　　4.1T91/TP347H焊接接头微观组织分析

　　对焊接接头进行高温时效处理后的焊缝组织。可以看出，组织为奥氏体+铁素体的双相组织，奥氏体呈树枝晶分布，铁素体沿枝晶间形成，铁素体内含Cr量高，可以防止晶界贫铬区的出现，从而使焊缝具有一定的抗晶间腐蚀能力。此外，晶内分布着少量细小弥散的析出物，可以起到强化作用，随着时效时间的延长，析出物没有发生粗化，γ+δ双相组织基本稳定。

　　可以看出，组织主要为回火马氏体，随着时效处理时间的增加，晶粒尺寸从时效处理0h时的11～20μm逐渐增加到时效处理450h时的34～47μm，晶粒尺寸变化明显。此外，由于时效处理温度较高，马氏体板条内部位错密度逐渐减小，位错强化效果减弱。析出物分布在晶内和晶界，逐渐聚集长大，发生粗化，数量先增多后减少，第二相强化效果减弱，组织老化程度逐渐严重，当时效处理450h时析出物粗化明显，组织达到了中度老化。

　　4.2焊接质量

　　异种钢接头焊丝材料一般为镍基焊材，其成分与T91，12Cr1MoV等铁素体钢的差别很大，晶格结构也不同，因此其组织性能差别也较大，在受到外部应力时协调变形能力较差，必然会产生较大内应力。此外，焊接过程可能会引起第一类碳迁移，使焊缝侧出现高硬层(增碳和马氏体过渡层)，带来新的组织性能的不均匀性。焊后热处理能够降低硬度梯度，降低应力集中，但对于9Cr钢来说，会增加Ⅳ型裂纹的风险;此外，经过焊后热处理的一些异种钢接头也频频出现断裂。异种钢接头断裂案例中发现了较多的碳迁移现象，但很大一部分断裂案例中并未发现明显增碳现象。因此不进行焊后热处理和碳扩散并不是异种钢接头断裂的主要原因。

　　4.3焊缝金相分析

　　对树叶、外环和焊缝进行采样，并用金显微镜观察织物。导板和隔板外圈的微观组织主要是非晶背风，焊缝分为机车和铁。与叶片母公司相比，外环返回火星后薄板，组织结晶度不明显，电路板之间存在薄合法碳颗粒。导板螺母侧的热膨胀范围较粗，关节部位较弱，在多种应力下会导致虫洞变形、虫洞扩大、裂纹连接，最后导致关节破裂。由于钣金和外部环连接的组织和力性能不一致，焊缝界面中根部强度的差异，叶片在机构运行时所处的环境，以及护栏和焊缝界面中较高的热应力，叶片比外部环焊缝更容易受到根部损伤的影响，从而导致焊缝性能更快地下降并需要改变孔。

　　4.4运行环境

　　有案例表明，内壁或外壁熔合线处的氧化可能是异种钢接头断裂的原因之一。由于焊缝和铁素体侧母材的成分差异，其抗高温氧化性和蒸汽侧氧化性能也存在巨大差别，当环境温度较高时，会在熔合线铁素体侧选择性氧化，形成缺口，在应力、疲劳的交互作用下逐渐开裂，失效案例中大多断口都存在氧化膜证明了这一点。此外，较高的环境温度会加速熔合线附近材料的氧化和老化蠕变，因此高温烟气侧异种钢接头出现问题的概率较高，一般建议将炉内高温管屏的异种钢接头设置在顶棚上方。

　　结束语

　　(1)异种钢焊接接头容易在T91钢侧的热影响细晶区出现裂纹，该区域在焊后热处理后，高温蠕变强度降低，受外力后容易开裂。(2)常见的异种钢接头失效主要为沿铁素体侧熔合线开裂，焊接质量、运行环境、应力状态的异常均有可能导致或加速异种钢接头的开裂。

　　参考文献：

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　　作者简介：王进宝