異種鋼焊接接頭組織老化及損傷狀態評估方法研究

劉天佐

摘 要：鍋爐受熱面管經長期高溫、高壓服役后的異種鋼焊接接頭組織老化及損傷狀態研究，主要有三種評估方法能獲得更安全的評估結果：（1）對受熱面管進行表面滲透、超聲波探傷、壁厚測量，發現有超標缺陷的管子立即更換；（2）割取典型位置的焊接接頭進行顯微組織檢驗及力學性能試驗，以對管材狀態作出綜合評估；（3）通過測量異種鋼焊接接頭馬氏體/珠光體耐熱鋼側內壁氧化皮的厚度及有效金屬層厚度，估算管壁的金屬當量溫度及蠕變剩余壽命。

關鍵詞：受熱面管；異種鋼接頭；老化及損傷；評估方法；研究

中圖分類號：TG407 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0102-01

1 概述

現階段我國的電站鍋爐當中大部分的異種鋼接頭，已經非常接近十萬小時左右的失效時間，實際在運行的時候出現的問題也不斷增多，出現的主要問題包括：組織老化、力學性能降低、接頭熔合線周邊出現氧化缺口的問題，還有就是管子內壁的氧化皮厚度有一定程度的增加。這對鍋爐的安全運行產生了非常大的影響，特別是鍋爐在啟動、停運以及負荷變化比較頻繁的時候運行，發生鍋爐管泄漏的幾率非常大，進而導致企業需要承受巨大的經濟損失，并且對于工作人員的人身安全也有很大的威脅。因此，定期評估組織老化以及損傷的狀態有著非常重要的作用，通過定期的檢查就能夠及時發現存在的問題，并對已經損傷的管子及時更換，有效避免了鍋爐管發生泄漏的現象。

2 評估方法研究

2.1 無損檢驗

在現場無損檢驗異種鋼焊接接頭的時候，如果現問題必須要及時處理，無損檢驗方法能夠有效防止熱器管發生爆管的現象，并且也為電廠的鍋爐檢驗計劃、維護計劃、換管計劃提供了非常重要的技術支持，確保鍋爐更加穩定、經濟的運行，使鍋爐管能夠進行狀態檢修。其中標準DL 438的監督規程中有明確的規定：高溫過熱器或者是高溫再熱器的高溫段當使用18-8不銹鋼管的時候，對異種鋼焊接接頭需要在運行至9萬h時左右就要進行宏觀檢查以及無損探傷抽查的工作，抽查的比例一般情況下是25%。宏觀檢查主要的作用就是為了查看異種鋼焊接接頭及其周邊的管段是否出現磨損、腐蝕、變形或者是表面出現裂紋的問題，并詳細進行記錄，對存在問題管段必須要第一時間進行更換。在測量異種鋼焊接接頭的時候，必須要仔細測量管段是否出現脹粗以及壁厚減薄的現象，并且詳細進行記錄，對出現脹粗或者是壁厚減薄的問題必須要定時進行監督，必要的時候應當擇機進行更換。

2.2 異種鋼焊接接頭割管取樣試驗室評估

2.2.1 顯微組織檢驗

鍋爐熱面管由于長時間經受高溫、高壓運行，顯微組織必然會出現一定的老化或是損傷的情況。通常情況下，珠光體耐熱鋼側的老化程度相比較不銹鋼側的顯微組織要更加明顯一些，在光學顯微鏡下觀察分析管樣的顯微組織就可以評定該管樣實際的老化度。

圖1（a）是服役約7萬小時的異種鋼焊接接頭G102鋼側的顯微組織，看圖就能夠知道，是回火貝氏體再加上碳化物，有些碳化物已經在晶界聚集成球狀或是鏈狀形態，球化的級別是4到5級之間。

圖1（b）為服役7萬小時左右的異種鋼焊接接頭TP304H不銹鋼側的顯微組織，看圖就能夠得知，在奧氏體晶界周邊碳化物析出，導致奧氏體晶界出現一定程度的粗化，嚴重的情況下就會會呈現出鏈狀排列的形態，使組織連續性受到一定程度的損壞，使管材出現晶間腐蝕進而導致開裂的現象有很大程度的提升。所以，對不銹鋼母材進行嚴格的檢驗工作，通過檢驗就能夠準確反映出材料實際的老化程度。

如果管樣的使用期限快到的時候，那么管材的顯微組織就會出現蠕變孔洞以及晶粒變形等現象。顯微組織老化對管材的強度有非常大的影響，隨著強度的降低就會導致部件因為強度不足出現失效現象。

2.2.2 拉伸性能試驗

對運行管樣的焊接接頭和周邊的母材進行力學性能試驗，把結果與得出的實驗數據進行比較，對運行管樣的實際強度進行插件，是否達到相關的標準。通常情況下，管材在持續高溫的環境中長時間的運行，就會使顯微組織出現老化現象，并且力學性能有很大程度的降低。圖2就是異種鋼焊接接頭（T91/TP347H）的備品管以及運行十三萬小時左右的管樣拉伸強度對比圖，看圖就能夠知道，相比較備品管來說，運行管母材的屈服強度和抗拉強度分別有相應地下降，其中焊縫處的抗拉強度及屈服強度下降最為明顯。

2.2.3 碳遷移帶觀察

異種鋼焊接接頭實際在使用的時候，在一定程度上就會出現碳遷移的情況，主要是在焊縫熔合線周邊的碳遷移帶，這就大大降低了焊縫熔合線強度，就有很大的可能發生失效。圖3是運行七萬小時左右的異種鋼焊接接頭熔合線周邊的碳遷移帶形貌。如果管子當中有相似的碳遷移帶，就應當對管子及時進行更換，防止存在安全隱患。

2.3 異種鋼焊接接頭馬氏體/珠光體耐熱鋼側內壁氧化皮厚度測量

對鍋爐管的剩余壽命造成影響的因素主要包括：溫度、應力以及實際的運行長短，而溫度是管子運行的當量金屬壁溫，而應力就是管子的實際應力，運行的長短就是管子實際的運行時間。高溫鍋爐管因為需要承受非常高的壓力，而且是在蠕變的溫度范圍內進行運行，發生損傷的表現形式主要為高溫蠕變。隨著長時間的運行，在顯微組織中就會慢慢出現老化的現象，而非不銹鋼材料的管子內壁就會形成一層氧化皮，其成份主要有Fe2O3和Fe3O4，氧化皮對金屬管壁的傳熱熱阻有一定程度的增加，無法使管壁第一時間進行冷卻，這就致使管壁的金屬溫度不斷增加，在很大程度上加快了管壁金屬的氧化。所以，可以利用鍋爐管內壁氧化皮的實際厚度對鍋爐管壁的當量金屬溫度進行評估，這就就可以對管子的蠕變剩余期限進行估算。

3 總結及建議

綜上所述，本文所論述的三種異種鋼焊接接頭組織老化及損傷狀態的評估方法存在一定的差異，必須要按照現行的實際情況，采用最為合適的方法進行評估。此外，異種鋼焊接接頭一般都是在非常復雜的工況下進行運行的，不但需要承受正常的工作應力，還必須要承擔機組啟動、停止的負荷變化，所產生的溫度改變引起的循環熱應力的作用，導致蠕變-疲勞交互作用應力，因此建議在對其進行壽命評估時還應綜合考慮焊接接頭的老化和氧化缺口的蠕變-疲勞交互作用。