SA-213TP347H與12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭失效分析

孫偉，徐祥久，陳曉宇

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150046;2.機械科學研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱150028)

0 前言

由于鉻鎳奧氏體不銹鋼具有優良的熱強性和抗氧化能力而被廣泛應用于電站鍋爐過熱器和再熱器部件的高溫段，但從結構和經濟性上考慮，低溫段或是過渡段部分仍會使用低合金鋼，這就不可避免地會出現異種鋼焊接接頭［1-3］。這種異種鋼接頭的焊接通常是整個部件制造過程中要求最高的關鍵環節，如果處理不當，也往往成為鍋爐運行過程中的最薄弱環節。本文針對某電廠早期失效的異種鋼焊接接頭進行研究，分析其失效機理，以避免類似泄漏事故的重復發生，保證電站鍋爐的安全穩定運行。

1 裂紋描述

該異種鋼焊接接頭兩側母材分別為SA-213TP347H和12Cr1MoVG小口徑管，規格為φ57 mm×4 mm。采用手工鎢極氬弧焊，焊接材料為ERNiCr-3，焊絲直徑為φ2.4 mm。兩側母材及焊接材料合金成分見表1，原始焊縫焊接工藝參數見表2。

截止裂紋被發現，機組已累計運行24 000 h。圖1所示為裂紋所在異種鋼焊接接頭，對開裂位置管子進行測量，發現兩側管子外徑均未增粗，裂紋出現在12Cr1MoVG側熔合線位置，且在管子整個壁厚方向已貫穿。

表1 材料合金成分(質量分數，%)

表2 焊接工藝參數

圖1 裂紋外觀形貌

2 開裂原因分析

2.1 結構分析

該12Cr1MoVG與SA-213TP347異種鋼焊接接頭為直管對接焊縫，接頭位置本身不存在結構突變和拘束，另外在SA-213TP347管子上距此焊縫較遠位置存在彎曲部分，鍋爐機組運行時焊縫處于相對無拘束的自由狀態。

然而，從圖2a可以看出，開裂位置焊縫內表面余高較大，最大余高為3.5mm，在焊縫與12Cr1MoVG管子內壁之間形成120°夾角。通過對該焊接接頭內部檢察發現，整條環縫除裂紋出現位置外，其余部分焊縫內表面成形均勻一致，且余高均不超過1 mm(圖2b)。從焊縫表面形貌上觀察，該開裂位置在焊接起弧點，同時又是搭接收弧點。因此，開裂位置焊縫背面余高過高，使母材與焊縫之間出現結構突變，在突變位置會出現應力集中，這是使焊接接頭產生裂紋的一個原因。

圖2 裂紋所在焊接接頭截面

2.2 組織分析

圖3為裂紋微觀形貌。通過對試樣進行金相觀察，可以看出12Cr1MoVG的組織為珠光體+鐵素體，焊縫組織為奧氏體+鐵素體，SA-213TP347H為奧氏體組織，金相檢查未發現母材和焊縫組織異常。裂紋內部充滿了氧化物，為裂紋產生后高溫蒸汽氧化所致。

圖3b所示為裂紋尖端SEM照片。裂紋出現在HAZ和焊縫相熔合的界面上，同時裂紋的擴展也是沿著該界面方向進行的，裂紋始終未向HAZ和焊縫內部擴展。在未開裂部分中未見任何孔洞，該裂紋的產生不符合空位開裂的蠕變斷裂理論，可以判定該裂紋不是由于蠕變失效而引起。

圖3 裂紋微觀形貌

2.3 化學成分及能譜分析

根據表1可知，發生失效焊接接頭兩側母材及所用焊接材料化學成分均符合要求，且有害元素P、S含量均較低。

通過對裂紋位置進行能譜分析，發現裂紋兩側，即12Cr1MoVG側熱影響區和焊縫各主要化學組成元素分布均勻穩定，母材與焊縫過渡區連續，不存在明顯的元素析集區。圖4所示為斷裂位置的EDS線掃描結果(僅示出了Fe和O兩元素的分析結果)，可以看出，在裂紋位置Fe和O元素出現明顯波動，這主要是由于裂紋位置存在大量Fe的氧化物，但這些氧化物是在焊接接頭失效后由高溫蒸汽氧化而產生，不是焊接接頭開裂的原因。

2.4 斷口形貌分析

圖5所示為裂紋所在位置斷口形貌，由于高溫蒸汽的氧化作用，原始斷裂面已消失，斷口表面已被一層鐵的氧化物覆蓋，很難從斷裂面的顯微形貌分析其斷裂原因。

2.5 硬度分析

圖6為裂紋兩側區域顯微硬度測試結果，從圖中可以看出，在熔合線兩側，無論焊縫還是12Cr1MoVG側HAZ硬度值均比其它區域略高。這與鎳基焊接材料對碳在異種鋼焊縫界面遷移的抑制作用，使碳元素在熔合線附近區域富集，以及焊接熱影響區的硬化作用有關［4，5］。

圖4 裂紋能譜分析

圖5 斷口形貌

然而，無論母材、HAZ還是焊縫，其硬度均在較理想的范圍內，測得的硬度最大值為277 HV。這說明用于完成此焊接接頭的焊接工藝合理、參數恰當，焊接接頭未出現明顯硬化區。

圖6 裂紋附近區域硬度分布

2.6 強度分析

對裂紋所在焊接接頭無裂紋部分進行拉伸試驗發現，焊接接頭兩試樣均為韌性斷裂，抗拉強度分別為606 MPa和608 MPa，均高于兩側母材標準抗拉強度的下限值。拉伸試樣斷裂發生在12Cr1MoVG一側管子母材上，這與12Cr1MoVG抗拉強度比SA-213TP347H略低相吻合。

綜上所述，在制造過程中焊接操作不當，焊縫背面局部余高過大，產生較大的應力集中;同時，該焊接接頭還承受著由設備啟停、內部介質波動等引起的交變應力作用。鍋爐機組運行過程中，在這些不利因素綜合作用下，異種鋼焊接接頭位置將會產生一定的疲勞載荷，當這些作用達到一定限值后，便會在應力集中最突出的部位形成裂紋，隨著時間的積累，裂紋沿著焊接接頭的相對薄弱區域不斷擴展，最終形成貫穿性裂紋，使焊接接頭失效并發生泄漏，造成機組停機。

3 結論

(1)12Cr1MoVG與SA-213TP347H異種鋼焊接接頭由手工氬弧焊焊接而成，焊縫背面局部余高達3.5 mm，局部應力集中是產生裂紋的直接原因;

(2)焊接接頭的微觀組織、化學成分、抗拉強度和顯微硬度均未發現異常，應用于該焊縫的焊接工藝參數合理;

(3)鍋爐機組運行過程中的設備啟停、內部介質波動等引起的交變應力是裂紋產生的誘發因素，并對裂紋擴展有促進作用;

(4)在鍋爐產品制造過程中減少手工操作，提高焊接機械化、自動化程度，加強焊接質量控制，是減少類似泄漏事件發生，保證異種鋼焊接接頭的長期安全服役的有效途徑。

［1］馬文姝，白鳳臣，傘國安.鍋爐異種鋼管焊接接頭焊縫稀釋率試驗［J］.焊接，2006(10):27-30.

［2］張哲峰，王文先，洪衛.TP347H鋼焊接接頭微觀組織及斷口形貌分析［J］.焊接，2006(11):40-43

［3］張學鵬，王萍.HR3C焊接接頭700℃長期時效后的組織與性能分析［J］.電焊機，2010，40(2):117-120.

［4］楊厚君，章應霖，曹晟，等.異種鋼焊接接頭碳遷移試驗現象的分析［J］.焊接學報，2001，22(2):89-90.

［5］張文鉞.焊接冶金學(基本原理)［M］.機械工業出版社，1999，185-209.