超超臨界鍋爐后屏過熱器異種鋼焊口斷裂原因分析

（國家電投集團江西電力有限公司景德鎮發電廠，江西 景德鎮 333000）

0 引言

某火力發電廠兩臺機組為660 MW超超臨界發電機組，配套鍋爐由哈爾濱鍋爐廠引進日本三菱制造的超超臨界參數變壓運行直流鍋爐。投產后兩臺爐因管材質量、設計、制造、安裝缺陷及超溫等原因導致受熱面泄漏多次，鍋爐的安全和經濟運行受到了很大的影響。其中后屏過熱器F91和TP347H異種鋼焊口斷裂造成泄漏是其重要原因之一，本文將著重對某電廠近期發生的后屏過熱器F91和TP347H異種鋼焊口斷裂問題進行分析并探討應對對策，希望對發生相同或類似問題的單位起到借鑒作用。

1 F91和TP347H異種鋼焊口斷裂問題國內研究現狀

隨著電站設備中金屬部件使用鋼材種類的逐漸增多，不可避免地會遇到異種鋼焊接的問題。文獻[1]、[2]通過對馬氏體耐熱鋼（T/F91）和奧氏體鋼（TP347H）的性能分析，詳細闡述T/F91+TP347H焊接存在的問題，探討了T/F91與TP347H異種鋼接頭的焊接方法、焊接材料及焊接工藝要點，對因焊接工藝造成的焊縫泄漏的問題進行了分析總結并提出了處理方法。

兩種鋼材因為金屬成分的不同，焊接性能存在較大差異，存在過渡層及焊縫稀釋的情況，在高溫運行中會形成融合區擴散層，這些都是金屬早期失效的重要原因。異種鋼物理熱膨脹系數的不同，直接造成焊接時產生較大的應力。為了避免熱應力的產生，鍋爐廠在設計時會盡量避免將接頭處設置在溫度交變劇烈的區域內，同時在選擇填充材料時力求使膨脹焊縫靠近F91鋼側。

2 后屏過熱器F91和TP347H異種鋼焊口斷裂取樣管的宏觀和微觀分析

2017年4月9日某廠后屏過熱器第11屏11號管上F91和TP347H異種鋼接頭斷裂泄漏（詳見圖1），至本次斷裂泄漏，機組已累計運行約4萬h。為找出異種鋼接頭斷裂原因，對泄漏管及斷裂焊口進行取樣分析，斷口兩側分別被命名為1號樣管和2號樣管，1號樣管材質SA-182F91，規格φ51×9 mm，另一側2號樣管材質SA-213TP347H，規格φ51×9 mm。

圖1 管子原始形貌

圖3 2號樣管取樣位

2.1 樣管取樣位置及對應編號

命名后對管段進行取樣分析，取樣位置分別如圖2、3所示。

2.2 檢測設備與檢測方法

本文對樣品的檢測與分析采用以下檢測設備與檢測方法，見表1。

表1 檢測項目及標準

2.3 宏觀檢查

通過觀察樣管（見圖1）宏觀形貌可知，斷裂位置位于異種鋼焊縫接口處，沿F91熔合線橫向斷裂（見圖4a）。F91側斷口未見明顯變形；TP347H斷口存在明顯變形（見圖4b），TP347H側管子可見嚴重的變形，管子上有明顯的磕碰痕跡，可以判斷TP347H側斷口和管子產生嚴重變形是由于斷裂后TP347H側管子發生扭曲擺動并碰撞鄰近管子所導致。

圖4 斷口宏觀形貌圖

從圖4可以看出斷口平整，沒有塑性變形，斷口附近無明顯減薄和氧化皮。F91側斷口可以看見兩個較大的凹坑，如圖4a）虛線和實線框所示，斷口拼合后兩個凹坑分別對應TP347H側斷口的焊瘤、咬邊缺陷部位，如圖4c）所示虛線框和實線框位置。

2.4 化學成分分析

對1號樣管和2號樣管進行化學成分分析，分析結果見表2、3，由分析結果可見，1號樣管符合ASME SA-182/SA-182M對F91材質的規定；2號樣管的化學成分符合ASMESA-213/SA-213M對TP347H的規定。

表2 1號樣管母材化學成分分析結果wt%

表3 2號樣管母材化學成分分析結果wt%

2.5 硬度試驗

在1號樣管上取縱向試樣1724-1，將試樣的縱向剖面打磨光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕拋光面；2號樣管取縱向試樣1724-3，將試樣的縱向剖面打磨光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕拋光面；對以上兩個試樣進行維氏硬度檢測，檢測結果如表4所示，檢測位置如圖5所示。

表4 維氏硬度試驗結果HV

圖5 維氏硬度檢測位置示意圖

在1號樣管上取1724-2，2號樣管上取1724-4，將橫截面打磨后，對試樣1/2壁厚處進行布氏硬度檢測，檢測結果見表5所示。由檢測結果可知，1號取樣管符合ASMESA-182/SA-182M對F91的規定；2號樣管符合ASMESA-213/SA-213M對TP347H的規定。

表5 布氏硬度試驗結果HB

2.6 金相分析

在1號樣管上取縱向試樣1724-1，將試樣的縱向剖面打磨光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕拋光面；2號樣管取縱向試樣1724-3，將試樣的縱向剖面打磨光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕拋光面；利用顯微鏡觀察侵蝕后的顯微組織形貌，金相試樣顯微組織，檢測結果見表6，顯微組織圖見圖6-11。

表6 顯微組織檢測結果

由顯微組織檢測結果可知，斷裂位置位于1號樣管熱影響區臨近熔合線的粗晶區，兩根樣管均滿足ASME相關標準的要求。

圖6 母材顯微組織1

圖7 熱影響區組織1

圖8 斷口處顯微組織

圖9 焊縫顯微組織

圖10 熱影響區組織形貌2

圖11 母材顯微組織2

3 失效機理分析

從以上試驗結果可以看出，F91和TP347H兩側管材硬度、化學成分均符合ASMESA-182/SA-182M和ASMESA-213/SA-213M對其相應的要求，其母材顯微組織特征和晶粒度符合材質特征、焊縫及熱影響區的顯微組織未見異常；由金相結果可知，斷裂發生在F91側緊鄰熔合線的粗晶區，斷口附近無明顯的減薄和氧化皮，但打底焊焊縫上有明顯的焊瘤和咬邊等缺陷，且斷裂的管子和焊縫處未見明顯的脹粗現象，同時管子內、外表面均未見明顯的氧化皮和銹蝕等異常現象，該段管道至今已運行4萬余小時，在運行過程中多次啟停會造成焊縫承擔一定的交變應力，而且該異種鋼對接焊縫平整，沒有明顯的塑性變形，判斷該異種鋼焊縫斷裂是由交變應力作用下引起的疲勞斷裂。

綜合以上情況可以分析引起疲勞斷裂的原因可能是：1）該異種鋼接頭為典型的馬氏體型耐熱鋼和奧氏體型不銹鋼焊接，焊縫金屬為鎳基焊材，焊縫金屬與F91側母材線膨脹系數差異較大，在鍋爐啟停或調峰過程中，在F91側熔合線附近產生交變應力；2）泄漏樣管上焊縫處存在焊瘤和咬邊等焊接缺陷，勢必造成應力集中。當載荷超過疲勞載荷的門檻值時，首先在應力集中部位形成微裂紋，進而以疲勞的方式沿薄弱環節拓展，最終穿過整個壁厚造成泄漏。

4 結束語

通過化學及金相分析判斷樣管的母材符合ASME的相關標準要求，造成本次泄漏的主要原因為交變應力在焊接缺陷處的應力集中產生貫穿性疲勞裂紋導致泄漏。

1）建議鍋爐廠在設計時將異種鋼拼接焊縫位置盡量延伸到交變應力較小的位置；

2）利用計劃性檢修或臨停檢修等機會，對所有異種鋼拼接焊縫位置進行計劃性、分區性探傷檢查，通過幾次檢測和檢查將殘留的焊接缺陷等隱患排除；

3）建議焊后熱處理時，為提高焊縫的綜合性能，建議熱處理溫度為760±10℃，且嚴格控制溫升和溫降速度及恒溫時間，進而提高焊縫接頭性能。