摘 要:某大型電站鍋爐屏式過熱器 TP347HFG/12Cr1MoVG 異種鋼鎢極氣體保護全氬弧焊 接接頭服役1.5×10 4h后頻繁發(fā)生開裂泄漏。利用宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡分析及力學(xué)性能 測試等方法對該過熱器 TP347HFG/12Cr1MoVG 異種鋼接頭進行開裂原因分析。結(jié)果表明:異種 鋼接 頭 焊 接 工 藝 不 當(dāng),導(dǎo) 致 了 12Cr1MoVG 側(cè) 熔 合 線 鎳 基 填 充 金 屬 與 母 材 未 有 效 熔 合,使 TP347HFG/12Cr1MoVG 異種鋼接頭發(fā)生早期開裂失效。 

關(guān)鍵詞:屏式過熱器;異種鋼焊接接頭;開裂;泄漏;焊接工藝;熔合不良;應(yīng)力集中

中圖分類號:TG115.2                                            文獻標(biāo)志碼:B                                            文章編號:1001-4012(2022)05-0044-04 

為了保證大型電站鍋爐的功能性和經(jīng)濟性,其 受熱面的設(shè)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(chǎn)中頻繁發(fā) 生泄漏事故,給電站鍋爐的安全穩(wěn)定運行帶來了很 大的隱患[1-3]。 

某2059t電站鍋爐屏式過熱器夾屏管設(shè)計使 用了 TP347HFG/12Cr1MoVG 異種鋼焊接接頭,該 批次焊接接頭運行1.5×10 4h后陸續(xù)發(fā)生了多次接 頭開裂引發(fā)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(fā)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(guī)格為54mm×8.0mm(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(cè)熔合線周向分布,長度約為周長的 3/5,漏點兩 側(cè) 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(cè) 15mm 范圍內(nèi),漏點 1 呈 現(xiàn) 較 為 明 顯 的 初 始 漏 點 形貌(見圖1)。 

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(cè)金屬沒有互 相黏連現(xiàn)象,在兩側(cè)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(cè),形 成了明顯的、非圓滑過渡的變截面結(jié)構(gòu)。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(cè)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(cè) 母 材 壁 厚 不 一 致,TP347HFG 側(cè) 管 材 比 12Cr1MoVG 側(cè)管材厚約2mm;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(cè)熔合線根 部形成了明顯的尖角狀變截面結(jié)構(gòu)。

1.2 化學(xué)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(xué)成分分析,結(jié)果分別如表1,2,3所示?？梢钥闯? 12Cr1MoVG 鋼 管、TP347HFG 鋼 管 及 焊 縫 ERNiCr-3填充 焊 絲 合 金 的 主 要 化 學(xué) 成 分 均 符 合 GB/T5310—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(shù)要求。

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(jié)構(gòu)的奧 氏體+高溫δ 鐵素體(見圖3)。

12Cr1MoVG 側(cè)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(qū)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(qū)的顯微組織為粗大的奧氏體,晶粒度為2級(見圖4)。 

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(cè)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(cè)熔合線處母材與 鎳基填充材料結(jié)合較弱,熔合線的局部區(qū)域存在微 觀上不連續(xù)的孔洞狀缺陷;而 TP347HFG 側(cè)熔合線 處母材與鎳基填充材料結(jié)合致密。

1.5 力學(xué)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(xué)性能測試。測試過程中,當(dāng)抗拉強 度僅 為 219 MPa 時,試 樣 整 體 沿 焊 接 接 頭 的 12Cr1MoVG 側(cè)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(xiàn) 象(見圖6)。

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(cè)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(xiàn) 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(cè)熔合線,母材及焊縫未見撕扯變形 及黏連現(xiàn)象,說明焊縫填充金屬與12Cr1MoVG 側(cè) 管材未有效熔合,因為未斷裂區(qū)的12Cr1MoVG 側(cè) 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(cè)12Cr1MoVG 與 TP347HFG 管材的壁厚不一 致,TP347HFG 側(cè)管材比12Cr1MoVG 側(cè)管材厚約 2mm,但兩種管材的外徑一致,因此接頭根部兩側(cè) 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(cè)熔 合線處形成明顯的尖角狀變截面結(jié)構(gòu),該部位在使 用過程中會形成較大的應(yīng)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(jié)構(gòu),說明在 焊接過程中焊接參數(shù)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(fā)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(jié)論及建議 

鍋爐屏式過熱器 TP347HFG/12Cr1MoVG 異 種鋼焊接接頭在運行僅1.5×10 4h后就發(fā)生斷裂失 效的原因為:TP347HFG/12Cr1MoVG 異種鋼接頭 的 焊 接 工 藝 不 當(dāng) 造 成 焊 縫 鎳 基 填 充 金 屬 與 12Cr1MoVG 母材熔合不良,使得該部位結(jié)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(cè)管材壁厚不 一致,造成焊縫根部特別是12Cr1MoVG 側(cè)熔合線 處形成了尖角狀變截面的應(yīng)力集中區(qū)。因此,在高 溫、高壓介質(zhì)中形成的一次應(yīng)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(yīng)力的共同 作用下,焊接接頭自焊縫根部12Cr1MoVG 側(cè)熔合 線處形成裂紋并逐漸擴展,從而導(dǎo)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(shù)監(jiān)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(qū) 發(fā) 生 開 裂 的 TP347HFG/ 12Cr1MoVG 異種鋼接頭進行徹底處理。重新焊接 時,應(yīng)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(zhì)量。

參考文獻: 

[1] 劉俊建.高溫過熱器 T91/TP347H 異種 鋼 焊 接 接 頭 斷裂失 效 分 析 [J].理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),2018,54 (1):67-70.

[2] 李克儉,蔡 志 鵬,李 軼 非,等.碳 遷 移 對 9%Cr 和 2.25%Cr異種鋼焊接接頭高溫韌性的影響[J].機械 工程學(xué)報,2015,51(16):150-155. 

[3] 劉軍.某超超臨界直流鍋爐高溫再熱器異種鋼焊接接 頭開裂原因分析[J].理化檢驗(物理分冊),2018,54 (2):141-144. 

<文章來源   >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 5期 (pp:44-47)>