超超臨界鍋爐T92+Super304H接頭裂紋成因分析及現場處置

劉劍，張杰

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 四川成都 611731

1 序言

隨著電站鍋爐向大容量、高參數發展，T92、Super304H等高等級材料在超（超）臨界鍋爐中大量使用，異種鋼焊接接頭大量出現，以Super304H為代表的奧氏體不銹鋼和以T92為代表的馬氏體不銹鋼組成的異種鋼焊接接頭，在600MW及1000MW超（超）臨界鍋爐高溫過熱器、屏式過熱器、高溫再熱器中得到了廣泛的應用[1]。

2 試驗背景

某1000MW超超臨界機組鍋爐投運初期，發現高溫過熱器管屏T92+Super304H、φ45mm×11mm異種鋼接頭開裂失效，斷裂位置在T92側熱影響區。通過試樣硬度檢測發現，高過熱器出口段試樣T92側熱影響區硬度值分別為424HBW、427HBW、430HBW（超出DL/T 438—2016規定的上限≤290HBW的要求）。從接頭的裂紋形貌及掃描電鏡分析，開裂均在T92側熱影響區的近焊腳區域，裂紋斷續沿圓周方向擴展，裂紋兩側有少量分支的短小沿晶裂紋，末端尖細（見圖1、圖2），裂紋產生在焊縫熱影響區的粗晶區，沿晶界開裂，裂紋終止于熱影響區的細晶區。裂紋由外壁向內壁擴展，裂紋兩側的組織為粗大的板條馬氏體，具有冷裂紋特征[2]。

圖1 裂紋外觀

圖2 裂紋深度及形貌

針對異種鋼接頭T92側熱影響區硬度偏高的問題，為了查找產生缺陷的原因，開展了一系列工藝試驗，分析研究了焊接參數、熱處理保溫溫度、焊后熱處理時機等因素對接頭熱影響區硬度的影響。找到了造成接頭過熱區硬度偏高的原因：主要是由于熱處理過程中操作不當，導致回火不足，焊后熱處理不充分，造成接頭熱影響區硬度偏高。

通過模擬試驗和分析，確定異種鋼接頭熱處理保溫溫度為520℃時，其T92側熱影響區硬度最高。在產品制造過程中，為了降低異種鋼接頭硬度，通常需要對硬度偏高的接頭進行二次熱處理，為了評價二次熱處理對接頭性能的影響，開展了正常熱處理、二次熱處理對焊接接頭的組織及性能影響的試驗研究。

3 試驗過程與結果

（1）試樣制備 焊接T92+Super304H、φ45mm×11mm接頭試樣兩組，焊后熱處理按兩種熱處理工藝執行：第1組正常熱處理，按760℃×90min熱處理，試樣編號A1；第2組二次熱處理，先按520℃/90min熱處理后再按760℃×90min熱處理，試樣編號B1。

（2）力學性能試驗 對兩組異種鋼接頭進行了拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗及接頭力學性能試驗，結果見表1。

（3）硬度試驗 分別對兩組接頭的母材、熱影響區、焊縫進行了布氏硬度值檢測，結果見表2。

表1 接頭力學性能試驗

表2 接頭硬度試驗 （HBW）

4 分析與討論

（1）接頭力學性能及硬度分析 從試驗結果可見，在兩種焊后熱處理制度下，異種鋼接頭的常溫力學性能差異不大，均具有良好的抗拉強度、塑性。常溫拉伸試樣均斷在焊縫。二次熱處理接頭的常溫力學性能與一次正常熱處理接頭相近，說明最后的補充高溫熱處理最終決定了接頭的組織與性能。

A1接頭焊縫的硬度低于兩側母材，Super304H側熔合線附近HAZ的硬度較該側母材低，而T92側熔合線附近HAZ的硬度較高；B1接頭硬度分布特性與A1相似。

（2）接頭開裂分析 焊后熱處理目的是降低接頭焊接殘余應力、硬度，改善微觀組織，恢復和提高韌性和塑性，微觀組織的變化具有恢復淬硬區的塑性，降低硬度的作用，是目前焊后消除殘余應力、降低硬度的最主要的方法，因此焊后熱處理對T92+Super304H異種鋼接頭非常重要。焊后熱處理的作用是使T92側熱影響區的淬硬馬氏體組織的晶格畸變減小，析出碳化物，形成比較穩定的回火馬氏體組織，提高塑性和防止蠕變脆性斷裂。焊后熱處理雖不能完全消除異種鋼接頭中的焊接殘余應力，但能使T92側熱影響區的應力峰值降低，降低殘余應力水平，對防止接頭在該部位的失效也是有利的。

異種鋼接頭焊后熱處理不充分，回火溫度較低，導致T92側熱影響區粗晶區硬度值高，同時塑性、韌性大大降低，沖擊韌度較差，組織穩定性差，使焊接接頭內部存在較大的軸向殘余應力。由于存在馬氏體回火脆性、中溫蠕變脆化等因素，所以在結構附加應力、溫差應力、焊接殘余應力等共同作用下，形成局部的拉伸應力集中，促進了裂紋在該部位的萌生和擴展，引起脆化開裂[3]。

5 現場處置方案

針對T92+Super304H異種鋼接頭開裂、硬度偏高問題，根據電廠現場實際情況，確定采用了現場換管和現場重新回火熱處理降低硬度這兩種方式進行處理。對于硬度很高、無損檢測出現缺陷的異種鋼接頭，由制造廠提供T92+Super304H異種鋼接頭，電廠現場換管處理；對于現場硬度偏高，無損檢測未發現裂紋，電廠現場進行回火處理。為此，制定了現場處置方案。

（1）現場換管處理工藝 現場換管處理管子Super304H+Super304H、T92+T92對接工藝如下。

1）根據清除異種鋼接頭長度，重新制備異種鋼接頭插入管，采用機加工或砂輪打磨的方式成形管端坡口。

2）清理焊接區域周圍（包括管子內外壁）約20mm范圍內，直至呈現金屬光澤。

3）管子Super304H+Super304H對接采用手工鎢極氬弧焊，焊絲YT-304H、φ2.4mm，T92+T92對接采用手工鎢極氬弧焊，焊絲TGS-12CRS、φ2.4mm，焊接參數見表3。

表3 手工鎢極氬弧焊焊接參數

4）清理修磨對接焊縫圓滑過渡，100%RT+100%PT檢測。

5）焊后熱處理：管屏兩面均以T92+T92對接焊縫為中心布置電加熱器，兩面加熱器各布置1支控溫熱電偶，與產品貼實，獨立控溫。需處理的焊縫兩側加熱寬度均≥100mm，加熱器外側的保溫范圍應超出對接焊縫150mm以上，保溫厚度≥50mm。加熱片及保溫層外可以用鐵絲捆扎緊，使加熱片緊貼管子。保溫時間從全部控溫熱電偶到溫后開始計算，加熱溫度＞300℃時，升降溫速度均≤150℃/h，保溫溫度750～760℃，保溫時間90～100min。

（2）現場重新回火處理工藝 T92與奧氏體不銹鋼的異種鋼接頭開裂屬高溫回火脆性引起的開裂。高溫回火脆性的特點之一是具有可逆性，如果把已經出現這種回火脆性的接頭重新回火處理，回火脆性即可消除。

對現場硬度偏高、無損檢測未發現裂紋、不需要換管處理的管屏，在電廠現場進行回火熱處理。采用履帶式加熱器熱處理工藝進行回火處理，采用整排熱處理方式進行。

熱處理前，管屏下端布置一個支撐，減少載荷，防止熱處理加熱過程產生變形。具體如下：

1）管屏兩端各增加熱處理工藝輔助管，捆扎在兩端管子上，以對接焊縫為中心正反面布置電加熱片，需處理焊縫上下（管子接長方向）兩側加熱寬度均≥100mm，加熱片用鐵絲扎牢，控溫熱電偶6支，布置在管子的最外測，正反各3支，外部覆蓋并固定硅酸鋁針刺保溫毯用鐵絲扎牢，以保證保溫毯貼實，如圖3、圖4所示。控溫熱電偶布置在加熱片中心焊縫上，測溫熱電偶6支，布置在管子對側焊縫上。

圖3 現場熱處理加熱片包扎

圖4 現場熱處理保溫毯包扎

2）保溫范圍應超出加熱范圍外150mm以上，保溫厚度≥50mm。

3）保溫時間從測控溫熱電偶到溫后開始計算，加熱溫度＞300℃時，升降溫速度均≤150℃/h，保溫溫度750～760℃，保溫時間90～100min。

（3）現場處置效果 根據上述現場工藝方案進行返修，管屏現場熱處理后對焊縫進行100%RT（換管焊口）檢測、100%PT檢測、硬度檢測，有效地降低了異種鋼接頭T92側熱影響區硬度，能夠滿足電建規范標準要求，通過長期運行，未發生爆管。

6 結束語

1）由于熱處理過程中操作不當，導致回火不足，焊后熱處理不充分，造成異種鋼接頭T92側熱影響區硬度偏高，誘發接頭開裂。

2）T92+Super304H對接接頭焊后通過正常規范熱處理、二次熱處理后，其接頭常溫下的拉伸、彎曲、硬度、沖擊測試結果的各項力學性能均滿足ASME標準、電建規范的要求；二次熱處理接頭的常溫力學性能與正常熱處理接頭相近，說明最終熱處理決定了接頭的組織與性能。

3）制定實施現場處置方案，有效地降低了異種鋼接頭T92側熱影響區硬度，能夠滿足相關標準要求。通過長期運行，未發生爆管，運行安全可靠。