劉劍，張杰

東方電氣集團(tuán)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(shù)發(fā)展，T92、Super304H等高等級(jí)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(xiàn)，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(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、高溫再熱器中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

2 試驗(yàn)背景

某1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐投運(yùn)初期，發(fā)現(xiàn)高溫過(guò)熱器管屏T92+Super304H、φ45mm×11mm異種鋼接頭開(kāi)裂失效，斷裂位置在T92側(cè)熱影響區(qū)。通過(guò)試樣硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高過(guò)熱器出口段試樣T92側(cè)熱影響區(qū)硬度值分別為424HBW、427HBW、430HBW（超出DL/T 438—2016規(guī)定的上限≤290HBW的要求）。從接頭的裂紋形貌及掃描電鏡分析，開(kāi)裂均在T92側(cè)熱影響區(qū)的近焊腳區(qū)域，裂紋斷續(xù)沿圓周方向擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)有少量分支的短小沿晶裂紋，末端尖細(xì)（見(jiàn)圖1、圖2），裂紋產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，沿晶界開(kāi)裂，裂紋終止于熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)。裂紋由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)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(duì)異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)硬度偏高的問(wèn)題，為了查找產(chǎn)生缺陷的原因，開(kāi)展了一系列工藝試驗(yàn)，分析研究了焊接參數(shù)、熱處理保溫溫度、焊后熱處理時(shí)機(jī)等因素對(duì)接頭熱影響區(qū)硬度的影響。找到了造成接頭過(guò)熱區(qū)硬度偏高的原因：主要是由于熱處理過(guò)程中操作不當(dāng)，導(dǎo)致回火不足，焊后熱處理不充分，造成接頭熱影響區(qū)硬度偏高。

通過(guò)模擬試驗(yàn)和分析，確定異種鋼接頭熱處理保溫溫度為520℃時(shí)，其T92側(cè)熱影響區(qū)硬度最高。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，為了降低異種鋼接頭硬度，通常需要對(duì)硬度偏高的接頭進(jìn)行二次熱處理，為了評(píng)價(jià)二次熱處理對(duì)接頭性能的影響，開(kāi)展了正常熱處理、二次熱處理對(duì)焊接接頭的組織及性能影響的試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)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(zhí)行：第1組正常熱處理，按760℃×90min熱處理，試樣編號(hào)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(hào)B1。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn) 對(duì)兩組異種鋼接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

（3）硬度試驗(yàn) 分別對(duì)兩組接頭的母材、熱影響區(qū)、焊縫進(jìn)行了布氏硬度值檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

表2 接頭硬度試驗(yàn) （HBW）

4 分析與討論

（1）接頭力學(xué)性能及硬度分析 從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在兩種焊后熱處理制度下，異種鋼接頭的常溫力學(xué)性能差異不大，均具有良好的抗拉強(qiáng)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(xué)性能與一次正常熱處理接頭相近，說(shuō)明最后的補(bǔ)充高溫?zé)崽幚碜罱K決定了接頭的組織與性能。

A1接頭焊縫的硬度低于兩側(cè)母材，Super304H側(cè)熔合線附近HAZ的硬度較該側(cè)母材低，而T92側(cè)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(kāi)裂分析 焊后熱處理目的是降低接頭焊接殘余應(yīng)力、硬度，改善微觀組織，恢復(fù)和提高韌性和塑性，微觀組織的變化具有恢復(fù)淬硬區(qū)的塑性，降低硬度的作用，是目前焊后消除殘余應(yīng)力、降低硬度的最主要的方法，因此焊后熱處理對(duì)T92+Super304H異種鋼接頭非常重要。焊后熱處理的作用是使T92側(cè)熱影響區(qū)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(wěn)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(yīng)力，但能使T92側(cè)熱影響區(qū)的應(yīng)力峰值降低，降低殘余應(yīng)力水平，對(duì)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(dǎo)致T92側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)硬度值高，同時(shí)塑性、韌性大大降低，沖擊韌度較差，組織穩(wěn)定性差，使焊接接頭內(nèi)部存在較大的軸向殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)附加應(yīng)力、溫差應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等共同作用下，形成局部的拉伸應(yīng)力集中，促進(jìn)了裂紋在該部位的萌生和擴(kuò)展，引起脆化開(kāi)裂[3]。

5 現(xiàn)場(chǎng)處置方案

針對(duì)T92+Super304H異種鋼接頭開(kāi)裂、硬度偏高問(wèn)題，根據(jù)電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定采用了現(xiàn)場(chǎng)換管和現(xiàn)場(chǎng)重新回火熱處理降低硬度這兩種方式進(jìn)行處理。對(duì)于硬度很高、無(wú)損檢測(cè)出現(xiàn)缺陷的異種鋼接頭，由制造廠提供T92+Super304H異種鋼接頭，電廠現(xiàn)場(chǎng)換管處理；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)硬度偏高，無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行回火處理。為此，制定了現(xiàn)場(chǎng)處置方案。

（1）現(xiàn)場(chǎng)換管處理工藝 現(xiàn)場(chǎng)換管處理管子Super304H+Super304H、T92+T92對(duì)接工藝如下。

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

2）清理焊接區(qū)域周?chē)òü茏觾?nèi)外壁）約20mm范圍內(nèi)，直至呈現(xiàn)金屬光澤。

3）管子Super304H+Super304H對(duì)接采用手工鎢極氬弧焊，焊絲YT-304H、φ2.4mm，T92+T92對(duì)接采用手工鎢極氬弧焊，焊絲TGS-12CRS、φ2.4mm，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 手工鎢極氬弧焊焊接參數(shù)

4）清理修磨對(duì)接焊縫圓滑過(guò)渡，100%RT+100%PT檢測(cè)。

5）焊后熱處理：管屏兩面均以T92+T92對(duì)接焊縫為中心布置電加熱器，兩面加熱器各布置1支控溫?zé)犭娕?，與產(chǎn)品貼實(shí)，獨(dú)立控溫。需處理的焊縫兩側(cè)加熱寬度均≥100mm，加熱器外側(cè)的保溫范圍應(yīng)超出對(duì)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(shí)間從全部控溫?zé)犭娕嫉綔睾箝_(kāi)始計(jì)算，加熱溫度＞300℃時(shí)，升降溫速度均≤150℃/h，保溫溫度750～760℃，保溫時(shí)間90～100min。

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

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬度偏高、無(wú)損檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋、不需要換管處理的管屏，在電廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行回火熱處理。采用履帶式加熱器熱處理工藝進(jìn)行回火處理，采用整排熱處理方式進(jìn)行。

熱處理前，管屏下端布置一個(gè)支撐，減少載荷，防止熱處理加熱過(guò)程產(chǎn)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(duì)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(zhǎng)方向）兩側(cè)加熱寬度均≥100mm，加熱片用鐵絲扎牢，控溫?zé)犭娕?支，布置在管子的最外測(cè)，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(shí)，如圖3、圖4所示?？販?zé)犭娕疾贾迷诩訜崞行暮缚p上，測(cè)溫?zé)犭娕?支，布置在管子對(duì)側(cè)焊縫上。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)熱處理加熱片包扎

圖4 現(xiàn)場(chǎng)熱處理保溫毯包扎

2）保溫范圍應(yīng)超出加熱范圍外150mm以上，保溫厚度≥50mm。

3）保溫時(shí)間從測(cè)控溫?zé)犭娕嫉綔睾箝_(kāi)始計(jì)算，加熱溫度＞300℃時(shí)，升降溫速度均≤150℃/h，保溫溫度750～760℃，保溫時(shí)間90～100min。

（3）現(xiàn)場(chǎng)處置效果 根據(jù)上述現(xiàn)場(chǎng)工藝方案進(jìn)行返修，管屏現(xiàn)場(chǎng)熱處理后對(duì)焊縫進(jìn)行100%RT（換管焊口）檢測(cè)、100%PT檢測(cè)、硬度檢測(cè)，有效地降低了異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)硬度，能夠滿足電建規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，未發(fā)生爆管。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）由于熱處理過(guò)程中操作不當(dāng)，導(dǎo)致回火不足，焊后熱處理不充分，造成異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)硬度偏高，誘發(fā)接頭開(kāi)裂。

2）T92+Super304H對(duì)接接頭焊后通過(guò)正常規(guī)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(cè)試結(jié)果的各項(xiàng)力學(xué)性能均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)、電建規(guī)范的要求；二次熱處理接頭的常溫力學(xué)性能與正常熱處理接頭相近，說(shuō)明最終熱處理決定了接頭的組織與性能。

3）制定實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)處置方案，有效地降低了異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)硬度，能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，未發(fā)生爆管，運(yùn)行安全可靠。