摘 要:某大型电站锅炉屏式过热器 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢钨极气体保护全氩弧焊 接接头服役1.5×10 4h后频繁发生开裂泄漏。利用宏观观察、金相检验、扫描电镜分析及力学性能 测试等方法对该过热器 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢接头进行开裂原因分析。结果表明:异种 钢接 头 焊 接 工 艺 不 当,导 致 了 12Cr1MoVG 侧 熔 合 线 镍 基 填 充 金 属 与 母 材 未 有 效 熔 合,使 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢接头发生早期开裂失效。

关键词:屏式过热器;异种钢焊接接头;开裂;泄漏;焊接工艺;熔合不良;应力集中

中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)05-0044-04

为了保证大型电站锅炉的功能性和经济性,其 受热面的设计大量使用了异种钢焊接接头,其中不 乏低合金珠光体钢与高铬-镍奥氏体不锈钢的异种 钢焊接接头。该类型焊接接头在实际生产中频繁发 生泄漏事故,给电站锅炉的安全稳定运行带来了很 大的隐患[1-3]。

某2059t电站锅炉屏式过热器夹屏管设计使 用了 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢焊接接头,该 批次焊接接头运行1.5×10 4h后陆续发生了多次接 头开裂引发的泄漏失效事故。

笔者 对 屏 式 过 热 器 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢焊接接头的早期开裂失效原因进行了研究, 以防同类型异种钢接头再次发生开裂失效事故。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对泄漏的屏式过热器管段进行宏观观察。屏 式过热器泄漏管段为12Cr1MoVG 与 TP347HFG 异种钢过渡部位,钢管规格为54mm×8.0mm(外 径×壁厚);上部材料为12Cr1MoVG 钢,下部材料 为 TP347HFG 钢,采 用 ERNiCr-3 焊 丝 钨 极 气 体 保护全氩弧焊(TIG)焊 接。泄 漏 管 段 上 共 有 4 处 泄漏 点,均 集 中 于 12Cr1MoVG 与 TP347HFG 异 种钢 接 头 附 近。 其 中,漏 点 1 沿 异 种 钢 接 头 的 12Cr1MoVG 侧熔合线周向分布,长度约为周长的 3/5,漏点两 侧 材 料 均 未 见 明 显 的 塑 性 变 形,呈 脆 性 开 裂 形 貌。 漏 点 2,3,4 则 分 布 于 焊 缝 两 侧 15mm 范围内,漏点 1 呈 现 较 为 明 显 的 初 始 漏 点 形貌(见图1)。

将漏点1开裂部位纵向剖开,纵向截面宏观形 貌如图2所示,从图2a)可以看出,12Cr1MoVG 钢 管与焊缝完全沿熔合线断开,断口两侧金属没有互 相黏连现象,在两侧断口上可以清晰地观察到金属 熔滴状形貌,断口表面存在明显的氧化皮。此外,焊 缝根部存在严重的焊瘤,特别是12Cr1MoVG 侧,形 成了明显的、非圆滑过渡的变截面结构。从图2b) 所示接头纵向截面的宏观形貌来看,开裂完全沿接 头的12Cr1MoVG 侧熔合线分布,即焊缝与母材沿 熔合线完全剥离,互相没有明显的黏连撕扯形貌。 接头两侧 母 材 壁 厚 不 一 致,TP347HFG 侧 管 材 比 12Cr1MoVG 侧管材厚约2mm;同时,由于对口间 隙过大且打底层熔池过宽,焊缝根部形成较严重的 焊瘤,因此在壁厚较薄的12Cr1MoVG 侧熔合线根 部形成了明显的尖角状变截面结构。

1.2 化学成分分析

对 泄 漏 屏 式 过 热 器 的 12Cr1MoVG 钢 管、 TP347HFG 钢管及焊缝填充金属分别取样进行化 学成分分析,结果分别如表1,2,3所示。可以看出 12Cr1MoVG 钢 管、TP347HFG 钢 管 及 焊 缝 ERNiCr-3填充 焊 丝 合 金 的 主 要 化 学 成 分 均 符 合 GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》和 GB/T 15620—2008《镍及镍合金焊丝》的技术要求。

1.3 金相检验

对屏式过热器开裂的异种钢接头纵向解剖取 样,并进行金相检验。其显微组织形貌表明,焊缝的 氩弧焊打底层和盖面层均为粗大的柱状晶结构的奥 氏体+高温δ 铁素体(见图3)。

12Cr1MoVG 侧管材的显微组织为等轴状均匀 分布的珠光体+铁素体,晶粒度为8~9级,未见明 显球化。12Cr1MoVG 母材与焊缝沿熔合线完全撕 裂,且在母材近熔合线处形成了较为明显的黑色条 带区域。TP347HFG 母材的显微组织为等轴状均匀分布的细晶奥氏体,晶粒度为8~9级,未见明显 老化;热影响区的显微组织为粗大的奥氏体,晶粒度为2级(见图4)。

1.4 扫描电镜分析

利用扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)对 屏 式 过 热 器 TP347HFG/12Cr1MoVG 异种 钢 焊 接 接 头 的 焊 缝 两侧熔合线进行 观 察,其 SEM 形 貌 如 图 5 所 示。 可以看出,接头的12Cr1MoVG 侧熔合线处母材与 镍基填充材料结合较弱,熔合线的局部区域存在微 观上不连续的孔洞状缺陷;而 TP347HFG 侧熔合线 处母材与镍基填充材料结合致密。

1.5 力学性能测试

从同批次未开裂的屏式过热器管异种钢接头处 取样,并进行力学性能测试。测试过程中,当抗拉强 度仅 为 219 MPa 时,试 样 整 体 沿 焊 接 接 头 的 12Cr1MoVG 侧熔合线断开;除表面薄层外,母材与 焊缝几乎无正常焊接接头断裂时存在的撕扯黏连现 象(见图6)。

2 综合分析

对于低合金耐热钢与奥氏体不锈钢异种钢焊接 接头而言,其沿低合金钢侧熔合线断裂的情况较为 常见,但在断裂过程中裂纹会扩展至母材或焊缝填 充金属处,造成母材与焊缝之间存在明显的撕扯变 形及黏 连 现 象。而 该 屏 式 过 热 器 12Cr1MoVG 与 TP347HFG 异 种 钢 焊 接 接 头 的 开 裂 完 全 沿 12Cr1MoVG 侧熔合线,母材及焊缝未见撕扯变形 及黏连现象,说明焊缝填充金属与12Cr1MoVG 侧 管材未有效熔合,因为未断裂区的12Cr1MoVG 侧 管材与 焊 缝 填 充 金 属 的 熔 合 线 存 在 众 多 细 小 的 孔洞。

从异种钢焊接接头的纵向截面可以看出,接头 两侧12Cr1MoVG 与 TP347HFG 管材的壁厚不一 致,TP347HFG 侧管材比12Cr1MoVG 侧管材厚约 2mm,但两种管材的外径一致,因此接头根部两侧 母材错边严重;同时,对口间隙过宽使接头根部形成 严重焊瘤,造成焊缝根部特别是12Cr1MoVG 侧熔 合线处形成明显的尖角状变截面结构,该部位在使 用过程中会形成较大的应力集中。

异种钢焊接接头镍基填充材料的打底层和盖面 层的显微组织均为粗大的条状柱状晶结构,说明在 焊接过程中焊接参数选择较大,造成焊接线能量输 入较高。这 种 情 况 下:一 方 面,焊 缝 熔 池 较 宽 并 形 成严重的焊瘤;另一方面,焊接电流过大、线能量输入过高会造成焊接过程中焊丝过早发生红热,母 材坡口处还未有效熔化时填充金属就已熔化并覆盖 到母材坡口上,进而使形成的填充金属与母材不能 完全有效、良好地熔合在一起。而 TP347HFG 管材 的熔点比12Cr1MoVG 管材熔点低,能够与镍基填 充材料良好地熔合。

3 结论及建议

锅炉屏式过热器 TP347HFG/12Cr1MoVG 异 种钢焊接接头在运行仅1.5×10 4h后就发生断裂失 效的原因为:TP347HFG/12Cr1MoVG 异种钢接头 的 焊 接 工 艺 不 当 造 成 焊 缝 镍 基 填 充 金 属 与 12Cr1MoVG 母材熔合不良,使得该部位结合强度 不足;同时,对口间隙过大、焊接线能量偏高造成焊 缝根部存在严重焊瘤,再加上焊缝两侧管材壁厚不 一致,造成焊缝根部特别是12Cr1MoVG 侧熔合线 处形成了尖角状变截面的应力集中区。因此,在高 温、高压介质中形成的一次应力、管子受热膨胀和运 行过程中,管系振动等因素形成的二次应力的共同 作用下,焊接接头自焊缝根部12Cr1MoVG 侧熔合 线处形成裂纹并逐渐扩展,从而导致接头开裂。

建议加强对锅炉受热面管,特别是异种钢接头 的技术监督,对同类型接头进行无损检测,对于根部 存在严 重 焊 瘤 及 熔 合 区 发 生 开 裂 的 TP347HFG/ 12Cr1MoVG 异种钢接头进行彻底处理。重新焊接 时,应制定合理的焊接工艺流程,同时对接头进行金 相检验,以确保异种钢接头的焊接质量。

参考文献:

[1] 刘俊建.高温过热器 T91/TP347H 异种 钢 焊 接 接 头 断裂失 效 分 析 [J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2018,54 (1):67-70.

[2] 李克俭,蔡 志 鹏,李 轶 非,等.碳 迁 移 对 9%Cr 和 2.25%Cr异种钢焊接接头高温韧性的影响[J].机械 工程学报,2015,51(16):150-155.

[3] 刘军.某超超临界直流锅炉高温再热器异种钢焊接接 头开裂原因分析[J].理化检验(物理分册),2018,54 (2):141-144.

<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 5期 (pp:44-47)>