TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭開裂原因

王建光

(國電建投內蒙古能源有限公司, 鄂爾多斯 017200)

為了保證大型電站鍋爐的功能性和經濟性，其受熱面的設計大量使用了異種鋼焊接接頭，其中不乏低合金珠光體鋼與高鉻-鎳奧氏體不銹鋼的異種鋼焊接接頭。該類型焊接接頭在實際生產中頻繁發生泄漏事故，給電站鍋爐的安全穩定運行帶來了很大的隱患[1-3]。

某2 059 t電站鍋爐屏式過熱器夾屏管設計使用了TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭,該批次焊接接頭運行1.5×104h后陸續發生了多次接頭開裂引發的泄漏失效事故。

筆者對屏式過熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的早期開裂失效原因進行了研究，以防同類型異種鋼接頭再次發生開裂失效事故。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對泄漏的屏式過熱器管段進行宏觀觀察。屏式過熱器泄漏管段為12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼過渡部位，鋼管規格為54 mm×8.0 mm(外徑×壁厚)；上部材料為12Cr1MoVG鋼，下部材料為TP347HFG鋼，采用ERNiCr-3焊絲鎢極氣體保護全氬弧焊(TIG)焊接。泄漏管段上共有4處泄漏點，均集中于12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼接頭附近。其中，漏點1沿異種鋼接頭的12Cr1MoVG側熔合線周向分布，長度約為周長的3/5，漏點兩側材料均未見明顯的塑性變形，呈脆性開裂形貌。漏點2，3，4則分布于焊縫兩側15 mm范圍內，漏點1呈現較為明顯的初始漏點形貌(見圖1)。

圖1 開裂屏式過熱器管宏觀形貌

將漏點1開裂部位縱向剖開，縱向截面宏觀形貌如圖2所示，從圖2a)可以看出，12Cr1MoVG鋼管與焊縫完全沿熔合線斷開，斷口兩側金屬沒有互相黏連現象，在兩側斷口上可以清晰地觀察到金屬熔滴狀形貌，斷口表面存在明顯的氧化皮。此外，焊縫根部存在嚴重的焊瘤，特別是12Cr1MoVG側，形成了明顯的、非圓滑過渡的變截面結構。從圖2b)所示接頭縱向截面的宏觀形貌來看，開裂完全沿接頭的12Cr1MoVG側熔合線分布，即焊縫與母材沿熔合線完全剝離，互相沒有明顯的黏連撕扯形貌。接頭兩側母材壁厚不一致，TP347HFG側管材比12Cr1MoVG側管材厚約2 mm；同時，由于對口間隙過大且打底層熔池過寬，焊縫根部形成較嚴重的焊瘤，因此在壁厚較薄的12Cr1MoVG側熔合線根部形成了明顯的尖角狀變截面結構。

圖2 屏式過熱器管斷口及接頭縱向截面宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對泄漏屏式過熱器的12Cr1MoVG鋼管、TP347HFG鋼管及焊縫填充金屬分別取樣進行化學成分分析，結果分別如表1,2,3所示。可以看出12Cr1MoVG鋼管、TP347HFG鋼管及焊縫ERNiCr-3填充焊絲合金的主要化學成分均符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》和GB/T 15620—2008 《鎳及鎳合金焊絲》的技術要求。

表1 12Cr1MoVG鋼管的化學成分 %

表2 TP347HF鋼管的化學成分 %

表3 焊縫ERNiCr-3填充金屬的化學成分 %

1.3 金相檢驗

對屏式過熱器開裂的異種鋼接頭縱向解剖取樣，并進行金相檢驗。其顯微組織形貌表明，焊縫的氬弧焊打底層和蓋面層均為粗大的柱狀晶結構的奧氏體+高溫δ鐵素體(見圖3)。

圖3 屏式過熱器管焊縫顯微組織形貌

12Cr1MoVG側管材的顯微組織為等軸狀均勻分布的珠光體+鐵素體，晶粒度為8～9級，未見明顯球化。12Cr1MoVG母材與焊縫沿熔合線完全撕裂，且在母材近熔合線處形成了較為明顯的黑色條帶區域。TP347HFG母材的顯微組織為等軸狀均勻分布的細晶奧氏體，晶粒度為8～9級，未見明顯老化；熱影響區的顯微組織為粗大的奧氏體，晶粒度為2級(見圖4)。

圖4 屏式過熱器鋼管各部位顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對屏式過熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的焊縫兩側熔合線進行觀察，其SEM形貌如圖5所示。可以看出，接頭的12Cr1MoVG側熔合線處母材與鎳基填充材料結合較弱，熔合線的局部區域存在微觀上不連續的孔洞狀缺陷；而TP347HFG側熔合線處母材與鎳基填充材料結合致密。

圖5 屏式過熱器異種鋼接頭SEM形貌

1.5 力學性能測試

從同批次未開裂的屏式過熱器管異種鋼接頭處取樣，并進行力學性能測試。測試過程中，當抗拉強度僅為219 MPa時，試樣整體沿焊接接頭的12Cr1MoVG側熔合線斷開；除表面薄層外，母材與焊縫幾乎無正常焊接接頭斷裂時存在的撕扯黏連現象(見圖6)。

圖6 屏式過熱器異種鋼接頭拉伸試樣斷裂宏觀形貌

2 綜合分析

對于低合金耐熱鋼與奧氏體不銹鋼異種鋼焊接接頭而言，其沿低合金鋼側熔合線斷裂的情況較為常見，但在斷裂過程中裂紋會擴展至母材或焊縫填充金屬處，造成母材與焊縫之間存在明顯的撕扯變形及黏連現象。而該屏式過熱器12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼焊接接頭的開裂完全沿12Cr1MoVG側熔合線，母材及焊縫未見撕扯變形及黏連現象，說明焊縫填充金屬與12Cr1MoVG側管材未有效熔合，因為未斷裂區的12Cr1MoVG側管材與焊縫填充金屬的熔合線存在眾多細小的孔洞。

從異種鋼焊接接頭的縱向截面可以看出，接頭兩側12Cr1MoVG與TP347HFG管材的壁厚不一致，TP347HFG側管材比12Cr1MoVG側管材厚約2 mm，但兩種管材的外徑一致，因此接頭根部兩側母材錯邊嚴重；同時，對口間隙過寬使接頭根部形成嚴重焊瘤，造成焊縫根部特別是12Cr1MoVG側熔合線處形成明顯的尖角狀變截面結構，該部位在使用過程中會形成較大的應力集中。

異種鋼焊接接頭鎳基填充材料的打底層和蓋面層的顯微組織均為粗大的條狀柱狀晶結構，說明在焊接過程中焊接參數選擇較大，造成焊接線能量輸入較高。這種情況下：一方面，焊縫熔池較寬并形成嚴重的焊瘤；另一方面，焊接電流過大、線能量輸入過高會造成焊接過程中焊絲過早發生紅熱，母材坡口處還未有效熔化時填充金屬就已熔化并覆蓋到母材坡口上，進而使形成的填充金屬與母材不能完全有效、良好地熔合在一起。而TP347HFG管材的熔點比12Cr1MoVG管材熔點低，能夠與鎳基填充材料良好地熔合。

3 結論及建議

鍋爐屏式過熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭在運行僅1.5×104h后就發生斷裂失效的原因為：TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼接頭的焊接工藝不當造成焊縫鎳基填充金屬與12Cr1MoVG母材熔合不良，使得該部位結合強度不足；同時，對口間隙過大、焊接線能量偏高造成焊縫根部存在嚴重焊瘤，再加上焊縫兩側管材壁厚不一致，造成焊縫根部特別是12Cr1MoVG側熔合線處形成了尖角狀變截面的應力集中區。因此，在高溫、高壓介質中形成的一次應力、管子受熱膨脹和運行過程中，管系振動等因素形成的二次應力的共同作用下，焊接接頭自焊縫根部12Cr1MoVG側熔合線處形成裂紋并逐漸擴展，從而導致接頭開裂。

建議加強對鍋爐受熱面管，特別是異種鋼接頭的技術監督，對同類型接頭進行無損檢測，對于根部存在嚴重焊瘤及熔合區發生開裂的TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼接頭進行徹底處理。重新焊接時，應制定合理的焊接工藝流程，同時對接頭進行金相檢驗，以確保異種鋼接頭的焊接質量。