后屏過熱器異種鋼焊口爆管原因分析

摘要：采用化學成分分析、拉伸試驗、硬度試驗、金相分析和掃描電鏡形貌及能譜分析等方法，對G102+TP304H后屏過熱器管爆管原因進行了分析，結果表明：在高溫高壓工況及熱應力作用下，管樣異種鋼焊接接頭G102側熔合線處因碳遷移形成了增碳層，G102母材韌性異常且該側熱影響區局部存在淬硬馬氏體組織，使熔合線處力學性能出現異常并產生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴展，最終導致G102側熔合線處發生開裂和斷裂。

關鍵詞：異接焊口；過熱器；斷裂分析；TP304H；碳遷移

中圖分類號：TG115" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）16-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.019

0" " 引言

異種鋼的焊接接頭，特別是珠光體耐熱鋼與奧氏體焊接接頭，一直是運行中的薄弱環節[1]。

該類接頭在焊接熱循環的特殊作用以及高溫運行過程中，因熱膨脹系數差而形成熱應力和碳遷移等，導致焊接接頭的組織結構和力學性能等發生變化[2]。

某電廠#3爐后屏過熱器管異種鋼接頭發生爆管，至爆管時運行約14 600 h，母材所使用的材料為TP304H+G102，接頭采用熱絲焊，焊絲為Incone182，為查找爆管原因，對斷裂異接管進行了試驗，分析其斷裂原因。

1" " 宏觀觀察分析

對斷裂異接管進行宏觀觀察分析，管子無明顯的變形、鼓包，斷裂位置為焊接接頭的G102側熔合線位置，G102側斷口基本為焊接坡口輪廓形狀，焊縫側斷口可見明顯的焊縫熔敷金屬形貌，鋼管內壁干凈無異常腐蝕情況。

2" " 化學成分分析

對斷裂異接管樣品的G102側母材、TP304H側母材和焊縫進行化學成分分析，結果表明管樣焊縫兩側母材化學成分均符合標準要求，焊縫金屬為鎳基材料，材料成分無明顯異常，結果如表1所示。

3" " 拉伸試驗結果

對斷裂異接管的母材進行拉伸試驗，每根管樣在向火面和背火面分別制取試樣，試驗結果顯示兩種鋼管母材拉伸試驗結果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[3]以及ASME-A213《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[4]標準要求，結果如表2所示。

4" " 硬度試驗結果

對異接管試驗焊縫兩側母材、G102側熱影響區、TP304H側熱影響區分別進行硬度試驗。G102側熱影響區硬度值均明顯偏高，根據DL/T 752—2010《火力發電廠異種鋼焊接技術規程》[5]標準，其硬度值不應超出接頭兩側母材實際布氏硬度平均值30%，TP304H側熱影響區硬度值無明顯異常，試驗結果如表3所示。

5" " 金相分析結果

5.1" " G102、TP304H母材顯微組織分析

對G102和TP304H母材，取縱截面金相試樣，打磨拋光經4%硝酸酒精和王水腐蝕后進行金相分析，G102母材顯微組織均為回火貝氏體+少量析出相，貝氏體老化級別2.0～2.5級，TP304H母材顯微組織均為奧氏體，奧氏體組織老化級別3.5～4.0級，如圖1所示。

5.2" " G102側熔合區顯微組織分析

對異接管G102側熔合區進行金相觀察，鋼管沿G102側熔合線出現斷裂，過熱區主要為粒狀貝氏體組織，局部有大量回火馬氏體組織，如圖2所示。

5.3" nbsp; TP304H側熔合區顯微組織分析

對TP304H側熔合區取縱向試樣，打磨拋光經王水腐蝕后進行金相分析，熱影響區TP304H母材組織為奧氏體，組織無明顯異常長大，沿熔合線可見明顯黑色條帶，如圖3所示。

6" " 掃描電鏡形貌及能譜分析

對異接管的焊縫側斷口進行掃描電鏡形貌觀察，可見斷口表面均被氧化物等覆蓋，無法分辨斷口微觀形貌特征，斷口斷面輪廓基本與坡口形狀一致，如圖4所示。

對管樣裂紋截面金相鑲嵌試樣進行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析，從圖片可見裂紋基本沿G102和焊縫金屬之間的熔合線擴展，主裂紋焊縫側可見大量沿晶開裂的微裂紋，如圖5所示。

對管樣沿熔合線分布的條狀碳化物進行能譜分析，結果顯示條狀碳化物碳含量達0.9wt%，對管樣焊縫近主裂紋處、條狀碳化物、焊縫基體分別進行能譜分析，結果顯示主裂紋焊縫側附近存在明顯碳集聚，如圖6、表4所示。

7" " 原因分析

綜上分析，后屏過熱器管樣G102鋼管母材碳含量均明顯高于焊縫金屬和不銹鋼管母材，焊接接頭不同材料之間存在明顯的碳濃度梯度，在高溫高壓服役工況下，后屏過熱器管異種鋼焊接接頭的G102側碳向焊縫方向遷移，并在熔合線處集聚形成增碳層；管樣G102側熱影響區局部存在淬硬馬氏體組織，導致該處力學性能較差；同時不銹鋼與合金鋼的導熱系數和熱膨脹系數差別較大，在高溫環境下形成較大熱應力；在高溫高壓工況及熱應力的綜合作用下該異種鋼焊接接頭沿G102側熔合線產生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴展，最終導致管樣焊接接頭G102側熔合線處出現開裂和斷裂。

8" " 總結及預防措施

本次#3機組后屏過熱器爆管原因為：在高溫高壓工況及熱應力作用下，異種鋼焊接接頭G102側熔合線處因碳遷移形成了增碳層，G102側熱影響區局部存在淬硬馬氏體組織，使熔合線處力學性能出現異常并產生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴展，最終導致G102側熔合線處發生開裂和斷裂。為了避免同類型事故再次發生，提出以下建議：1）建議加強對該爐后屏過熱器管的檢查和檢驗，并做好該爐此類過熱器管的更換計劃，及時實施更換。2）盡量在制造車間完成不銹鋼管與合金鋼管的異種鋼焊接，減少鍋爐安裝現場的異種鋼焊接，以更好地保證焊接質量。3）異種鋼焊接前應將焊面及附近區域污物清理干凈，采用經評定合格的焊接工藝，并由熟練焊工進行焊接，保證焊接質量。

[參考文獻]

[1] 何衛忠，蔡永江.高溫再熱器管異種鋼焊接接頭失效分析[J].水利電力機械，2006（6）：47-49.

[2] 劉立營，李太江，劉福廣，等.TP304H+12Cr1MoV異種鋼焊接接頭的界面蠕變損傷行為[J].焊管，2013（10）：31-35.

[3] 高壓鍋爐用無縫鋼管：GB/T 5310—2017[S].

[4] 鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子：ASME-A213[S].

[5] 火力發電廠異種鋼焊接技術規程：DL/T 752—2010[S].

收稿日期：2024-04-07

作者簡介：汪龍平（1981—），男，安徽人，碩士研究生，工程師，主要從事電廠金屬材料方面的工作。