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)電廠機組容量和參數的提高，以T91為代表的馬氏體熱強鋼和以TP347HFG為代表的奧氏體不銹鋼組成的異種鋼焊接接頭在國內電站得到了廣泛應用[1]51。對于異種鋼焊接接頭，由于其母材的化學成分、組織結構、機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)流化床機組，鍋爐技改時發(fā)現爐頂高溫過熱器（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側熔合線附近的熱影響區(qū)，管子外壁可見明顯的點蝕坑。高過管屏結構為反L型，上部穿出前爐膛頂棚，下部穿出前側水冷壁，爐頂和爐內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，膨脹節(jié)為密封結構。

滲透檢測發(fā)現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，因此對其裂紋和點蝕坑產生原因進行深入研究具有十分重要的意義。

2 試驗內容與結果

2.1 試驗原理

對高過取樣管進行宏觀形貌檢查，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，并結合其他試驗手段對接頭開裂原因做出進一步分析。

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，對取樣管進行全元素化學成分分析，以確定其化學成分是否符合標準要求。按照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》要求，利用金相顯微鏡，對高過取樣管取樣進行顯微組織檢測，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，在電子萬能試驗機上進行常溫拉伸試驗，確定其材料屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率是否符合標準要求。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行硬度檢測，以確定焊接接頭各部位的硬度是否符合標準要求。

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側近熔合線處均存在周向開裂現象，T91側管子外壁可見明顯的點蝕坑。裂紋斷續(xù)分布，局部存在相連的點蝕坑，裂紋總長度約為焊縫周長的1/2，裂紋開口細?。ㄒ妶D1），兩側材料均未見明顯的塑性變形，未見嚴重咬邊、錯邊及角變形缺陷，未見明顯的彎曲和機械損傷。

圖1 開裂異種鋼焊接接頭宏觀形貌

2.3 化學成分檢測與分析

對10號取樣管的TP347HFG和T91管材分別取樣進行化學成分檢測，檢測數據見表1和表2。結果表明，兩側管材化學成分中各元素的含量滿足ASME SA-213標準要求。

表1 TP347HFG鋼管化學成分檢測結果%

表2 T91鋼管化學成分檢測結果%

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側熔合線附近熱影響區(qū)分布，裂紋形貌呈現兩種狀態(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)的細晶區(qū)，裂紋自管材外壁點蝕坑底部向內壁擴展，呈現穿晶擴展形貌特征，主裂紋邊緣有樹枝狀分叉形貌，裂紋內部可見黑色填充物，黑色填充物局部呈團狀聚焦，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 力學性能檢測與分析

對兩個異種鋼焊接接頭取樣進行拉伸性能及硬度檢測，檢測結果見表3和表4。結果表明，10號焊接接頭開裂側抗拉強度不合格；12號焊接接頭開裂側和未開裂側抗拉強度均不合格，特別是存在明顯裂紋側的最低強度只有388 MPa。拉伸試樣均斷裂于T91側熱影響區(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側熱影響區(qū)的硬度也合格。但T91側熱影響區(qū)的硬度最大值達到429 HB，嚴重高于標準要求。

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果 （20℃）

表4異種鋼焊接接頭硬度測試結果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壁擴展，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等元素的腐蝕產物。

圖5 裂紋斷口形貌

圖6 能譜分析結果

2.7 點蝕坑的形貌對比

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

圖7 T91側熱影響區(qū)點蝕坑形貌

3 分析與討論

取樣的異種鋼焊接接頭T91側熱影響區(qū)的硬度值嚴重偏高，說明焊后熱處理工藝不當。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側的熱影響區(qū)內將形成淬硬傾向比較大的馬氏體組織，導致該區(qū)域的硬度值高于T91母材，塑韌性差[1]55，組織內應力大，因此焊后需進行高溫回火處理，以改善焊接接頭力學性能，降低T91側熱影響區(qū)的硬度及殘余應力。

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

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

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

b）腐蝕介質。宏觀觀察T91側外壁存在有一定深度的點蝕坑，此為T91受到O、S、Cl等元素腐蝕而產生的點蝕。高過異種鋼焊接接頭T91側外壁存在點蝕坑的均位于爐頂膨脹節(jié)的密封罩殼內，而其他部位的異種鋼焊接接頭T91側外壁卻沒有點蝕坑，說明點蝕坑的產生與密封環(huán)境相關。膨脹節(jié)密封罩殼內填充物為保溫棉，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行鍋爐的烘爐作業(yè)。由此可知腐蝕介質來源于密封環(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)對應力腐蝕敏感性影響很大，晶粒粗大的材料應力腐蝕敏感性大[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，導致該區(qū)域T91的應力腐蝕敏感性增大。可以通過改變材料的組織減少應力腐蝕的敏感性，如嚴格執(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，導致該區(qū)域T91的應力腐蝕敏感性增大，在拉應力與腐蝕介質的共同作用下，裂紋在T91側熔合線附近的熱影響區(qū)萌生和擴展，屬于應力腐蝕開裂。

4 結論

a）異種鋼焊接接頭兩側母材的化學成分、硬度、金相組織和晶粒度滿足相關標準的要求。

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

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