王建光

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司, 鄂爾多斯 017200)

為了保證大型電站鍋爐的功能性和經(jīng)濟(jì)性，其受熱面的設(shè)計(jì)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(shí)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(yùn)行帶來(lái)了很大的隱患[1-3]。

某2 059 t電站鍋爐屏式過(guò)熱器夾屏管設(shè)計(jì)使用了TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭,該批次焊接接頭運(yùn)行1.5×104h后陸續(xù)發(fā)生了多次接頭開(kāi)裂引發(fā)的泄漏失效事故。

筆者對(duì)屏式過(guò)熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的早期開(kāi)裂失效原因進(jìn)行了研究，以防同類型異種鋼接頭再次發(fā)生開(kāi)裂失效事故。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)泄漏的屏式過(guò)熱器管段進(jìn)行宏觀觀察。屏式過(guò)熱器泄漏管段為12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼過(guò)渡部位，鋼管規(guī)格為54 mm×8.0 mm(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(hù)全氬弧焊(TIG)焊接。泄漏管段上共有4處泄漏點(diǎn)，均集中于12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼接頭附近。其中，漏點(diǎn)1沿異種鋼接頭的12Cr1MoVG側(cè)熔合線周向分布，長(zhǎng)度約為周長(zhǎng)的3/5，漏點(diǎn)兩側(cè)材料均未見(jiàn)明顯的塑性變形，呈脆性開(kāi)裂形貌。漏點(diǎn)2，3，4則分布于焊縫兩側(cè)15 mm范圍內(nèi)，漏點(diǎn)1呈現(xiàn)較為明顯的初始漏點(diǎn)形貌(見(jiàn)圖1)。

圖1 開(kāi)裂屏式過(guò)熱器管宏觀形貌

將漏點(diǎn)1開(kāi)裂部位縱向剖開(kāi)，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(kāi)，斷口兩側(cè)金屬?zèng)]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(yán)重的焊瘤，特別是12Cr1MoVG側(cè)，形成了明顯的、非圓滑過(guò)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(lái)看，開(kāi)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(méi)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2 mm；同時(shí)，由于對(duì)口間隙過(guò)大且打底層熔池過(guò)寬，焊縫根部形成較嚴(yán)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)。

圖2 屏式過(guò)熱器管斷口及接頭縱向截面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)泄漏屏式過(guò)熱器的12Cr1MoVG鋼管、TP347HFG鋼管及焊縫填充金屬分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果分別如表1,2,3所示?？梢钥闯?2Cr1MoVG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/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》和GB/T 15620—2008 《鎳及鎳合金焊絲》的技術(shù)要求。

表1 12Cr1MoVG鋼管的化學(xué)成分 %

表2 TP347HF鋼管的化學(xué)成分 %

表3 焊縫ERNiCr-3填充金屬的化學(xué)成分 %

1.3 金相檢驗(yàn)

對(duì)屏式過(guò)熱器開(kāi)裂的異種鋼接頭縱向解剖取樣，并進(jìn)行金相檢驗(yàn)。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(jiàn)圖3)。

圖3 屏式過(guò)熱器管焊縫顯微組織形貌

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(jí)，未見(jiàn)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(xì)晶奧氏體，晶粒度為8～9級(jí)，未見(jiàn)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(jí)(見(jiàn)圖4)。

圖4 屏式過(guò)熱器鋼管各部位顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡分析

利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)屏式過(guò)熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭的焊縫兩側(cè)熔合線進(jìn)行觀察，其SEM形貌如圖5所示?？梢钥闯觯宇^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。

圖5 屏式過(guò)熱器異種鋼接頭SEM形貌

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

從同批次未開(kāi)裂的屏式過(guò)熱器管異種鋼接頭處取樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)抗拉強(qiáng)度僅為219 MPa時(shí)，試樣整體沿焊接接頭的12Cr1MoVG側(cè)熔合線斷開(kāi)；除表面薄層外，母材與焊縫幾乎無(wú)正常焊接接頭斷裂時(shí)存在的撕扯黏連現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)。

圖6 屏式過(guò)熱器異種鋼接頭拉伸試樣斷裂宏觀形貌

2 綜合分析

對(duì)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(jiàn)，但在斷裂過(guò)程中裂紋會(huì)擴(kuò)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(guò)熱器12Cr1MoVG與TP347HFG異種鋼焊接接頭的開(kāi)裂完全沿12Cr1MoVG側(cè)熔合線，母材及焊縫未見(jiàn)撕扯變形及黏連現(xiàn)象，說(shuō)明焊縫填充金屬與12Cr1MoVG側(cè)管材未有效熔合，因?yàn)槲磾嗔褏^(qū)的12Cr1MoVG側(cè)管材與焊縫填充金屬的熔合線存在眾多細(xì)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2 mm，但兩種管材的外徑一致，因此接頭根部?jī)蓚?cè)母材錯(cuò)邊嚴(yán)重；同時(shí)，對(duì)口間隙過(guò)寬使接頭根部形成嚴(yán)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(guò)程中會(huì)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(shuō)明在焊接過(guò)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(yán)重的焊瘤；另一方面，焊接電流過(guò)大、線能量輸入過(guò)高會(huì)造成焊接過(guò)程中焊絲過(guò)早發(fā)生紅熱，母材坡口處還未有效熔化時(shí)填充金屬就已熔化并覆蓋到母材坡口上，進(jìn)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(diǎn)比12Cr1MoVG管材熔點(diǎn)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(guò)熱器TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭在運(yùn)行僅1.5×104h后就發(fā)生斷裂失效的原因?yàn)椋篢P347HFG/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(qiáng)度不足；同時(shí)，對(duì)口間隙過(guò)大、焊接線能量偏高造成焊縫根部存在嚴(yán)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(yùn)行過(guò)程中，管系振動(dòng)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(kuò)展，從而導(dǎo)致接頭開(kāi)裂。

建議加強(qiáng)對(duì)鍋爐受熱面管，特別是異種鋼接頭的技術(shù)監(jiān)督，對(duì)同類型接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于根部存在嚴(yán)重焊瘤及熔合區(qū)發(fā)生開(kāi)裂的TP347HFG/12Cr1MoVG異種鋼接頭進(jìn)行徹底處理。重新焊接時(shí)，應(yīng)制定合理的焊接工藝流程，同時(shí)對(duì)接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)，以確保異種鋼接頭的焊接質(zhì)量。