周公文* 展西國 蘇光軍

（泰安市特種設(shè)備檢驗研究院）

0 引言

某火電廠超超臨界燃煤機組在停機檢修時，其中1 000 MW燃煤鍋爐末級過熱器受熱面鋼管材質(zhì)為SA-213T92及SA-213TP310HCbN，該管道的規(guī)格為57 mm×12 mm。SA-213T92鋼是在SA-213T91鋼研究的基礎(chǔ)上，使Mo元素質(zhì)量分數(shù)降低至0.6%以下，并添加2%W元素，確保Mo當(dāng)量與SA-213T91鋼相當(dāng)，Mo與W元素可顯著提高SA-213T92鋼的高溫持久強度，且微量B元素可顯著增強SA-213T92鋼的熱強性和持久塑性，并提高鋼的淬透性[1-2]。通過將Cr質(zhì)量分數(shù)提高至25%，可以提高N元素的溶解度并使奧氏體組織穩(wěn)定，N元素與Cr，Nb元素形成氮化物可顯著提高TP310HCbN鋼的熱強度和熱穩(wěn)定性[2]，使TP310HCbN奧氏體鋼適用于700 ℃以上的高溫環(huán)境。本文對該鍋爐末級過熱器異種鋼接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）進行割管檢驗及分析，該異種鋼對接接頭截至2019年2月累計運行時間約為4.5萬h。

本文對該割管檢驗的末級過熱器異種鋼接頭進行了理化檢驗分析，該對接接頭在SA-213TP310HCbN材料側(cè)內(nèi)壁位置處存在兩處加工坡口，一處坡口位置倒角角度接近90°，且兩坡口位置處均存在車削損傷缺陷。本文通過宏觀檢查、金相組織分析、機械性能試驗、強度校核、硬度試驗該對接接頭的老化程度、機械性能狀況及SA-213TP310HCbN側(cè)母材車削加工后的強度情況進行了分析，并通過掃描電鏡分析、能譜分析得到打底焊區(qū)域組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素成分，進而綜合分析焊接接頭性能，根據(jù)分析結(jié)果給出相應(yīng)的改進建議。

1 實驗過程和實驗儀器

在末級過熱器異種鋼對接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）處切取并鑲嵌金相試樣，金相試樣經(jīng)磨制拋光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液進行化學(xué)腐蝕，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡對對接接頭位置的坡口加工情況及金相組織形態(tài)進行檢測。在該對接接頭位置按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準要求切取3個拉伸試樣，在UTM5105 50KN電子萬能試驗機上對該材料進行拉伸性能檢測。采用HBE-3000A布氏硬度計金相試樣進行檢測，在612.5 N的載荷下加載10 s，對試樣的焊縫及兩側(cè)母材、熱影響區(qū)進行布氏硬度檢驗。采用HMV-G型顯微維氏硬度計，在200 g載荷下，對金相試樣打底焊及臨近焊縫和SA-213TP310HCbN母材區(qū)域進行顯微硬度檢測，檢測打底焊部位的顯微硬度與附近焊縫和SA-213TP310HCbN母材的顯微硬度差異情況。采用Carl Zeiss Sigma300型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡及牛津能譜儀檢測打底焊區(qū)域和附近TP310HCbN母材以及焊縫的化學(xué)元素成分，檢測化學(xué)元素成分變化情況。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 宏觀檢查

圖1為該末級過熱器對接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）宏觀形貌及其示意圖。從圖1中可以看出，對接接頭SA-213TP310HCbN內(nèi)壁側(cè)存在兩處加工坡口位置，坡口1位置處于異種鋼對接接頭SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁，車削后壁厚由12.5 mm減薄到11.8 mm，坡口倒角接近90°。2位置內(nèi)壁車削后剩余實測壁厚為8.4 mm，坡口倒角約為120°。兩處坡口位置均未見明顯的圓滑過渡處理。

圖1 末級過熱器對接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）宏觀形貌及示意圖

2.2 強度校核計算

該末級過熱器異種鋼接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）的設(shè)計溫度為605 ℃，設(shè)計壓力為26.15 MPa，根據(jù)GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分:受壓元件強度計算》標(biāo)準中10.2條要求，對該異種鋼接頭車削加工后的SA-213TP310HCbN最小需要厚度 進行強度校核計算：

SA-213TP310HCbN在610 ℃時105h的持久強度平均值為151 MPa。計算可得該末級過熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)母材的計算厚度為4.54 mm。

管道最小需要壁厚 為：

則該末級過熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)母材最小需要壁厚應(yīng)為5.04 mm。強度校核計算結(jié)果顯示，該末級過熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)車削加工后的最小壁厚仍滿足設(shè)計強度要求。

2.3 金相組織檢驗

圖2為該對接接頭的金相組織形貌。從圖2中可見，SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁坡口位置存在4.2 mm厚的打底焊焊接過渡層，打底焊區(qū)域金相組織為奧氏體鑄態(tài)組織，呈胞狀晶結(jié)構(gòu)，晶內(nèi)存在大量析出相，且呈條帶狀析出。SA-213TP310HCbN側(cè)熱影響區(qū)存在少量孿晶，母材為單相奧氏體，金相組織未見異常，但內(nèi)壁處存在明顯車削加工殘留缺陷，車削位置附近的晶粒內(nèi)存在少量孿晶，為車削加工產(chǎn)生的形變孿晶。SA-213T92側(cè)熱影響區(qū)金相組織可見明顯的過熱區(qū)、粗晶區(qū)及細晶區(qū)，粗晶區(qū)中大量M23C6型碳化物粒子從基體中析出，彌散分布在原馬氏體板條上，起彌散強化作用[3-4]，接近熔合線的過熱區(qū)未見明顯的塊狀δ鐵素體相，管道內(nèi)壁有厚約0.24 mm的氧化皮，母材的金相組織為回火索氏體，局部區(qū)域仍存在馬氏體位向，晶粒內(nèi)碳化物粒子呈彌散分布，碳化物粒子細小均勻，金相組織未見異常。

圖2 末級過熱器接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）金相組織形貌

2.4 力學(xué)性能檢驗

表1所示為該對接接頭拉伸試驗性能試驗結(jié)果。試驗結(jié)果顯示：該對接接頭的抗拉強度和屈服強度滿足SA-213T92，SA-213TP310HCbN標(biāo)準要求，而延伸率嚴重低于GB/T 5310—2017《高壓鍋爐無縫鋼管》標(biāo)準對SA-213T92及SA-213TP310HCbN要求下限。該接頭3個拉伸試樣的斷裂位置均位于SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁坡口變截面處，該位置為車削加工形成的近90°直角變截面，試樣拉伸時變截面位置為應(yīng)力集中區(qū)域，使該接頭在拉伸頸縮階段局部區(qū)域發(fā)生嚴重塑性變形，從而導(dǎo)致試樣在變截面應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生斷裂。試樣在室溫條件下的顯微硬度值和布氏硬度值可見表2和表3。試驗結(jié)果顯示：對接接頭兩側(cè)母材硬度值在標(biāo)準范圍內(nèi)，兩側(cè)熱影響區(qū)的硬度均高于同側(cè)母材硬度值，這主要是由于焊接接頭熱處理時析出強化[1]，但打底焊位置的硬度值略低于焊縫和SA-213TP310HCbN基體的硬度值。

表1 室溫拉伸試驗結(jié)果

表2 顯微維氏硬度試驗結(jié)果

表3 布氏硬度試驗結(jié)果

2.5 能譜分析

圖3為SA-213TP310HCbN側(cè)SEM圖、能譜圖及元素成分數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果顯示：打底焊區(qū)域元素含量與SA-213TP310HCbN基體及對接焊縫位置均存在明顯差異。該接頭焊縫采用打底焊結(jié)合蓋面焊的焊接方法，但打底焊與蓋面焊選用了兩種不同型號的焊材。根據(jù)能譜數(shù)據(jù)測試結(jié)果可知，打底焊選用的焊絲為S385型焊絲[5]，填充焊選用的焊絲為ERNiCrMo-3型鎳基焊絲。

圖3 末級過熱器對接接頭SA-213TP310HCbN側(cè)SEM圖和能譜圖

2.6 試驗結(jié)果分析與討論

該末級過熱器對接接頭采用的是打底焊結(jié)合填充焊的焊接形式，分別采用兩種不同型號的焊絲進行焊接，先采用S385型焊絲打底，后采用ERNiCrMo-3型鎳基焊絲進行填充蓋面。因?qū)庸軓揭?guī)格存在差異，焊接前對SA-213TP310HCbN側(cè)管道內(nèi)壁進行了坡口加工處理，但未對坡口表面加工殘留缺陷及坡口倒角進行處理就實施了對接焊。試驗結(jié)果顯示，該對接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）兩側(cè)母材金相組織和硬度值未見異常，但接頭處SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁存在近表面加工缺陷。SA-213T92側(cè)內(nèi)壁有厚約0.24 mm的氧化皮，這是受熱面管道在運行中氧化產(chǎn)生的。接頭的抗拉強度和屈服強度滿足兩側(cè)母材標(biāo)準要求的下限，拉伸試樣的斷裂位置均處于SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁加工坡口近90°變截面位置，斷后伸長率嚴重低于標(biāo)準要求。車削后SA-213TP310HCbN受熱面管道壁厚經(jīng)強度校核后可知，車削加工后的剩余厚度仍滿足使用要求。

該接頭斷后伸長率嚴重低于標(biāo)準要求，使接頭在拉伸頸縮初期階段即發(fā)生斷裂，且斷裂位置均處于加工坡口近90°的變截面位置，該變截面位置在拉伸試驗中處于拉應(yīng)力集中區(qū)域，在拉伸作用下產(chǎn)生塑性變形，且局部變形較嚴重，導(dǎo)致試樣強度急劇下降，從而發(fā)生斷裂。且車削表面存在殘留缺陷及表面殘余應(yīng)力場[6]，在拉伸過程中會加速變截面位置處微裂紋的產(chǎn)生及擴展，從而導(dǎo)致試樣在變截面應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生斷裂。

該末級過熱器接頭SA-213TP310HCbN側(cè)母材內(nèi)壁由12.5 mm車削加工至11.8 mm，尺寸變化雖然較小，且車削后剩余壁厚完全滿足使用要求，但車削后產(chǎn)生的近90°變截面成為了新的應(yīng)力集中區(qū)，削弱了接頭的結(jié)構(gòu)性能，使得接頭延伸率不滿足標(biāo)準要求。且車削加工表面的殘留缺陷及表面殘余應(yīng)力未去除，使得試樣在拉伸頸縮初期階段產(chǎn)生微裂紋并擴展，在90°變截面的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生局部區(qū)域嚴重塑性變形導(dǎo)致斷裂。

3 結(jié)論

該末級過熱器對接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）選用S385型焊絲打底，采用ERNiCrMo-3型鎳基焊絲進行填充蓋面，焊縫兩側(cè)金相組織和硬度值未見異常，但接頭SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁表面存在兩處加工坡口，加工表面均存在車削殘留缺陷，且接頭處SA-213TP310HCbN側(cè)近焊縫區(qū)有1處接近90°的加工倒角，該處變截面位置增大了對接接頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，削弱了接頭的結(jié)構(gòu)性能，使得接頭的拉伸性能無法滿足標(biāo)準要求。

超超臨界鍋爐末級過熱器異種鋼對接接頭在機組啟停及運行過程中，長期承受拉應(yīng)力、振動載荷及熱疲勞作用，因此接頭位置為受熱面的薄弱環(huán)節(jié)，接頭兩端的預(yù)處理及焊接質(zhì)量決定受熱面的使用安全。根據(jù)試驗結(jié)果，建議對接頭兩側(cè)的坡口進行車削加工處理時，應(yīng)嚴格控制加工倒角角度，避免坡口直角倒角過渡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，并對車削加工表面進行表面處理，對倒角處進行圓滑處理，消除倒角位置處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域及車削加工表面缺陷和殘余應(yīng)力場[6]，再進行對接焊處理。