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
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]。
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。
(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)
(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]。
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)òü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。
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。