T91/TP347HFG異種鋼焊接接頭裂紋產(chǎn)生原因探討

武東文，梁文利

（山西京能呂臨發(fā)電有限公司，山西 臨縣 033200）

0 引言

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量和參數(shù)的提高，以T91為代表的馬氏體熱強(qiáng)鋼和以TP347HFG為代表的奧氏體不銹鋼組成的異種鋼焊接接頭在國內(nèi)電站得到了廣泛應(yīng)用[1]51。對于異種鋼焊接接頭，由于其母材的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能及物理性能的差異[2]，使其性能受接頭中的焊接殘余應(yīng)力、焊后熱處理等的影響較大，由此帶來的異種鋼焊接接頭開裂失效的問題也逐漸增多[3]50。

1 試驗背景

某發(fā)電公司在建350 MW超臨界循環(huán)流化床機(jī)組，鍋爐技改時發(fā)現(xiàn)爐頂高溫過熱器（以下簡稱“高過”）T91/TP347HFG異種鋼焊接接頭發(fā)生開裂，裂紋位于T91側(cè)熔合線附近的熱影響區(qū)，管子外壁可見明顯的點(diǎn)蝕坑。高過管屏結(jié)構(gòu)為反L型，上部穿出前爐膛頂棚，下部穿出前側(cè)水冷壁，爐頂和爐內(nèi)均有異種鋼焊接接頭,焊接工藝為熱絲TIG自動焊，焊材選用ERNiCr-3。開裂異種鋼焊接接頭位于穿出頂棚上部的膨脹節(jié)內(nèi)，膨脹節(jié)為密封結(jié)構(gòu)。

滲透檢測發(fā)現(xiàn)爐頂高過有超過一半的制造廠異種鋼焊接接頭發(fā)生開裂，由于未運(yùn)行的異種鋼焊接接頭大面積開裂的事例并不多見，因此對其裂紋和點(diǎn)蝕坑產(chǎn)生原因進(jìn)行深入研究具有十分重要的意義。

2 試驗內(nèi)容與結(jié)果

2.1 試驗原理

對高過取樣管進(jìn)行宏觀形貌檢查，觀察其是否有原始缺陷、磨損、氧化及腐蝕等痕跡，管樣有無脹粗及減薄等特征，并結(jié)合其他試驗手段對接頭開裂原因做出進(jìn)一步分析。

按照GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》要求，利用臺式直讀光譜儀，對取樣管進(jìn)行全元素化學(xué)成分分析，以確定其化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》要求，利用金相顯微鏡，對高過取樣管取樣進(jìn)行顯微組織檢測，以確定各部位的金相顯微組織是否正常。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》要求取樣，在電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行常溫拉伸試驗，確定其材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》要求，利用顯微維氏硬度測試儀，對取樣管焊接接頭及母材進(jìn)行硬度檢測，以確定焊接接頭各部位的硬度是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 宏觀形貌觀察與分析

2根異種鋼取樣管均為T91與TP347HFG對焊而成，沿T91側(cè)近熔合線處均存在周向開裂現(xiàn)象，T91側(cè)管子外壁可見明顯的點(diǎn)蝕坑。裂紋斷續(xù)分布，局部存在相連的點(diǎn)蝕坑，裂紋總長度約為焊縫周長的1/2，裂紋開口細(xì)小（見圖1），兩側(cè)材料均未見明顯的塑性變形，未見嚴(yán)重咬邊、錯邊及角變形缺陷，未見明顯的彎曲和機(jī)械損傷。

圖1 開裂異種鋼焊接接頭宏觀形貌

2.3 化學(xué)成分檢測與分析

對10號取樣管的TP347HFG和T91管材分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測數(shù)據(jù)見表1和表2。結(jié)果表明，兩側(cè)管材化學(xué)成分中各元素的含量滿足ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 TP347HFG鋼管化學(xué)成分檢測結(jié)果%

表2 T91鋼管化學(xué)成分檢測結(jié)果%

2.4 顯微組織檢測與分析

對于10號、12號異種鋼焊接接頭，裂口均沿T91側(cè)熔合線附近熱影響區(qū)分布，裂紋形貌呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，一種位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋尺寸較小，呈沿晶斷裂形貌特征，粗晶區(qū)存在粗大的淬硬馬氏體組織，可見馬氏體回火不充分，與T91母材的微觀組織有明顯區(qū)別；另一種位于熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)，裂紋自管材外壁點(diǎn)蝕坑底部向內(nèi)壁擴(kuò)展，呈現(xiàn)穿晶擴(kuò)展形貌特征，主裂紋邊緣有樹枝狀分叉形貌，裂紋內(nèi)部可見黑色填充物，黑色填充物局部呈團(tuán)狀聚焦，與常見氧化層形貌有明顯差別，裂紋中未見明顯氧化層。T91管材的組織均為等軸狀均勻分布的細(xì)晶狀回火馬氏體，平均晶粒度為10級；TP347HFG管材的組織均為等軸狀均勻分布的單相奧氏體，平均晶粒度為10級，熔合區(qū)組織未見明顯異常，如圖2、圖3所示。

2.5 力學(xué)性能檢測與分析

對兩個異種鋼焊接接頭取樣進(jìn)行拉伸性能及硬度檢測，檢測結(jié)果見表3和表4。結(jié)果表明，10號焊接接頭開裂側(cè)抗拉強(qiáng)度不合格；12號焊接接頭開裂側(cè)和未開裂側(cè)抗拉強(qiáng)度均不合格，特別是存在明顯裂紋側(cè)的最低強(qiáng)度只有388 MPa。拉伸試樣均斷裂于T91側(cè)熱影響區(qū)部位，在斷口上可觀察到靠近T91外壁處存在明顯的開裂缺陷（見圖4）。

對于硬度，TP347HFG及T91母材的硬度均合格，焊縫及TP347HFG側(cè)熱影響區(qū)的硬度也合格。但T91側(cè)熱影響區(qū)的硬度最大值達(dá)到429 HB，嚴(yán)重高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 10號異種鋼焊接接頭各部位顯微組織

圖3 12號異種鋼焊接接頭各部位顯微組織

圖4 焊接接頭拉伸試樣斷口形貌

表3 異種鋼焊接接頭拉伸性能測試結(jié)果 （20℃）

表4異種鋼焊接接頭硬度測試結(jié)果HB

2.6 掃描電鏡/能譜分析

將異種鋼焊接接頭裂紋顯示區(qū)域進(jìn)行斷口分析，在電鏡下觀察斷口形貌（見圖5），可判斷裂紋是從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，斷口表面呈黑灰色，局部放大可觀察到類似泥紋狀的形貌特征，與打斷區(qū)形貌（解理形貌） 差異明顯。使用能譜儀對泥紋狀區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析（見圖6），主要成分為Fe、Cr、O、V、S、Cl等元素，推測其為 O、S、Cl等元素的腐蝕產(chǎn)物。

圖5 裂紋斷口形貌

圖6 能譜分析結(jié)果

2.7 點(diǎn)蝕坑的形貌對比

異種鋼焊接接頭T91側(cè)熱影響區(qū)附近的點(diǎn)蝕坑，某此坑底可見裂紋（見圖7），而遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的母材上的點(diǎn)蝕坑底部圓滑、不尖銳、無裂紋。

圖7 T91側(cè)熱影響區(qū)點(diǎn)蝕坑形貌

3 分析與討論

取樣的異種鋼焊接接頭T91側(cè)熱影響區(qū)的硬度值嚴(yán)重偏高，說明焊后熱處理工藝不當(dāng)。T91材料屬于馬氏體鋼，在高溫空冷后有明顯的淬硬傾向，而且馬氏體鋼還具有較大的晶粒粗化傾向[1]54。T91和TP347HFG異種鋼焊接時，在T91側(cè)的熱影響區(qū)內(nèi)將形成淬硬傾向比較大的馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域的硬度值高于T91母材，塑韌性差[1]55，組織內(nèi)應(yīng)力大，因此焊后需進(jìn)行高溫回火處理，以改善焊接接頭力學(xué)性能，降低T91側(cè)熱影響區(qū)的硬度及殘余應(yīng)力。

異種鋼焊接接頭裂紋均位于T91側(cè)熔合線附近的熱影響區(qū)，從管子外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋有樹枝狀分叉特征，粗晶區(qū)裂紋呈沿晶斷裂形貌，細(xì)晶區(qū)裂紋呈穿晶擴(kuò)展形貌，且裂紋內(nèi)部填充大量O、S、Cl的黑色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物局部呈團(tuán)狀聚焦；同時裂紋斷口呈黑灰色，為泥紋狀形貌；管外壁宏觀可見點(diǎn)蝕坑，熱影響區(qū)某些點(diǎn)蝕坑底部可見裂紋。此外，裂紋垂直管壁擴(kuò)展，說明承受管子軸向應(yīng)力。由此可知，T91側(cè)熱影響區(qū)的裂紋為應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下導(dǎo)致的開裂，裂紋具有明顯的應(yīng)力腐蝕特征。

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕需滿足三要素：拉應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)、特定的材料，只要三者缺一，就不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂[3]49。

a）拉應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件[3]47。異種鋼焊后熱處理不當(dāng)，導(dǎo)致T91側(cè)熱影響區(qū)硬度嚴(yán)重偏高、焊接殘余應(yīng)力較大，同時現(xiàn)場管屏的組對和焊接均會疊加應(yīng)力，因此引起開裂的應(yīng)力來源為焊接殘余應(yīng)力以及安裝后疊加應(yīng)力和管屏結(jié)構(gòu)的拘束應(yīng)力。

b）腐蝕介質(zhì)。宏觀觀察T91側(cè)外壁存在有一定深度的點(diǎn)蝕坑，此為T91受到O、S、Cl等元素腐蝕而產(chǎn)生的點(diǎn)蝕。高過異種鋼焊接接頭T91側(cè)外壁存在點(diǎn)蝕坑的均位于爐頂膨脹節(jié)的密封罩殼內(nèi)，而其他部位的異種鋼焊接接頭T91側(cè)外壁卻沒有點(diǎn)蝕坑，說明點(diǎn)蝕坑的產(chǎn)生與密封環(huán)境相關(guān)。膨脹節(jié)密封罩殼內(nèi)填充物為保溫棉，下部與爐膛相通處砌有澆筑料，而高過爐頂膨脹節(jié)密封后二年多的時間里也未進(jìn)行鍋爐的烘爐作業(yè)。由此可知腐蝕介質(zhì)來源于密封環(huán)境中的O、S、Cl等元素。

c）特定的材料。材料的成分和組織狀態(tài)對應(yīng)力腐蝕敏感性影響很大，晶粒粗大的材料應(yīng)力腐蝕敏感性大[3]48。由于焊接過程中異種鋼焊接接頭T91側(cè)熱影響區(qū)形成了粗大的淬硬馬氏體組織，焊后熱處理工藝又不當(dāng)，導(dǎo)致該區(qū)域T91的應(yīng)力腐蝕敏感性增大。可以通過改變材料的組織減少應(yīng)力腐蝕的敏感性，如嚴(yán)格執(zhí)行焊后熱處理工藝，淬硬馬氏體組織在高溫回火后變成回火馬氏體，那么應(yīng)力腐蝕的敏感性將大大降低。

綜上所述，由于焊接過程中異種鋼焊接接頭T91側(cè)熱影響區(qū)形成了粗大的淬硬馬氏體組織，焊后熱處理工藝又不當(dāng)，導(dǎo)致該區(qū)域T91的應(yīng)力腐蝕敏感性增大，在拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用下，裂紋在T91側(cè)熔合線附近的熱影響區(qū)萌生和擴(kuò)展，屬于應(yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)論

a）異種鋼焊接接頭兩側(cè)母材的化學(xué)成分、硬度、金相組織和晶粒度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

b）T91側(cè)熱影響區(qū)硬度嚴(yán)重偏高，異種鋼焊接接頭焊后熱處理工藝不當(dāng)。

c） 裂紋位于T91側(cè)熔合線附近的熱影響區(qū)，為應(yīng)力腐蝕裂紋，是拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的開裂。