600 MW亞臨界機組T91鋼焊接接頭失效分析

摘 要：某電廠600 MW亞臨界機組過熱器管T91焊接接頭泄漏，通過對開裂部位進行一系列試驗分析，結(jié)果表明，該過熱器管焊接工藝執(zhí)行不嚴格，使焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大淬硬馬氏體組織，在多處應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)冷裂紋，擴展形成宏觀開裂失效。

關(guān)鍵詞：T91鋼；焊接接頭；裂紋；熱影響區(qū)

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.074

T91鋼具有優(yōu)異的綜合性能，其主要優(yōu)點是低熱膨脹性，良好的導(dǎo)熱性、加工性和抗氧化性，高韌性，良好的抗高溫蒸汽腐蝕性能，且在高溫下有較高的蠕變持久強度和許用應(yīng)力。T91鋼的這些優(yōu)點使其在電站高溫過熱器、高溫再熱器和主蒸汽管道上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，由于其工作環(huán)境的特殊性，其在長期的高溫運行中，勢必會逐漸老化，當(dāng)老化到一定程度時，就有可能發(fā)生爆管等嚴重后果，給實際生產(chǎn)帶來隱患。一旦發(fā)生事故，就會帶來巨大的損失。調(diào)查分析表明，在各種事故原因中，焊接質(zhì)量占45.4%，設(shè)計制造占26.4%，材料占21.2%，閥門占6.4%，錯用鋼材占0.57%，由此可見焊接質(zhì)量問題的重要性。

1 概述

某電廠600 MW亞臨界機組于168 h過后一直停運，再次起機運行一個月后，兩根前屏過熱器管子焊接接頭處發(fā)生泄漏，一根高溫過熱器管子焊接熱影響區(qū)存在一條長度為30 mm的裂紋，管子材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格均為φ42×5.5 mm。針對這一情況，筆者以這三根管子為研究對象，通過大量試驗分析其失效原因。試驗內(nèi)容包括宏觀分析、力學(xué)性能試驗和金相試驗。有關(guān)管樣的情況和編號如下：前屏過熱器帶焊口泄漏管樣編號為1號樣、2號樣，高溫過熱器帶焊口開裂管樣編號為3號樣。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀分析

從圖1和圖2中可以看出，帶焊口的兩個管樣焊縫及其附

近母材存在多處泄漏爆口和沖刷減薄，其相鄰管子有被嗤出的蒸汽沖刷減薄和泄漏的痕跡，蒸汽沖刷處顏色發(fā)亮。另外，2號管樣泄漏情況和水壓試驗壓力判斷應(yīng)該是機組停運前已經(jīng)泄漏。從圖3中可以看出3號管樣未見有泄漏沖刷痕跡。

圖1 1號管樣開裂局部形貌圖 圖2 2號管開裂局部形貌圖 圖3 3號管開裂局部形貌圖

進一步觀察發(fā)現(xiàn)1號、2號和3號管樣在焊縫熱影響區(qū)熔合線附近均存在不同程度的開裂，裂紋比較平直，未發(fā)現(xiàn)其他裂紋分支，走向與熔合線平行。1號管樣裂紋長度約20 mm，2號管樣裂紋長度約25 mm，3號管樣裂紋長度約30 mm，且管樣圓周中間裂紋較寬，而在圓周兩側(cè)，裂紋較細窄。鋸床剖開后發(fā)現(xiàn)，1號、2號和3號管樣的裂紋均沿壁厚方向裂透，且管樣外壁裂紋長度比內(nèi)壁裂紋長，裂紋張口程度較內(nèi)壁大。三個管樣焊接接頭附近管子沒有明顯的塑性變形和脹粗現(xiàn)象。

2.2 化學(xué)試驗

利用NITON XL3t-898手持式合金分析儀對1號、2號、3號管子進行合金元素定量分析。試驗結(jié)果表明，3個管樣材質(zhì)都符合ASME SA213-1989 T91規(guī)定。

2.3 力學(xué)性能試驗

在1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）取樣，加工成等寬條狀試樣進行室溫拉伸試驗，而3號管樣長度不足，無法加工拉伸性能試樣。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗結(jié)果

管樣編號 屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa 延伸率/% 備注

1號 560 720 19.0 斷于母材

2號 555 725 18.0 斷于母材

ASME SA213-89 T91 ≥415 ≥585 ≥20 /

1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）拉伸試驗斷裂位置均在母材。拉伸試驗結(jié)果表明，屈服強度、抗拉強度滿足ASME SA213-89 T91標準，延伸率小于標準要求。

2.4 金相試驗

1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）和3號高溫過熱器管樣（帶焊口）沿開裂部位圓周中間和兩側(cè)較窄焊接接頭的縱剖面制備試樣，采用機械拋光，將浸蝕劑作為FeCl3鹽酸水溶液，在金相顯微鏡下觀察。1號、2號和3號管樣開裂部位外壁裂紋開口大，裂紋的產(chǎn)生和擴展均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋的擴展走向為穿晶和沿晶的，并由管子外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋如圖4和圖5所示。

圖4 1號管樣裂紋1 00X 圖5 1號管樣沿晶裂紋 200X 圖6 1號管焊縫組織100X

圖7 1號管粗晶組織 200X 圖8 1號管細晶組織 200X 圖9 1號管母材組織 200X

1號、2號和3號管開裂部位和未開裂部位焊縫處組織均為粗大板條馬氏體組織，熱影響區(qū)處的組織有：粗晶區(qū)為板條馬氏體，細晶區(qū)為細小回火索氏體，母材為細小回火馬氏體組織（以1號管為例，其金相照片如圖6、圖7、圖8和圖9所示）。焊縫、熱影響區(qū)組織粗大，但組織中未見有蠕變空洞和蠕變裂紋存在，在晶界上沒有發(fā)現(xiàn)碳化物聚集和長大的現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

3.1 熱影響區(qū)開裂原因

熱影響區(qū)開裂原因主要有：①宏觀分析三個管子焊接接頭附近，沒有明顯的塑性變形和脹粗現(xiàn)象，裂紋均位于熱影響區(qū)熔合線附近，并由管子外壁向內(nèi)壁擴展，且裂紋均沿壁厚方向已裂透。②彎曲試驗的面彎、背彎斷裂位置在焊縫和熔合區(qū)附近，而且拉伸試驗的延伸率小于標準要求。這兩項結(jié)果表明焊縫和熱影響區(qū)韌性差，容易出現(xiàn)缺陷。③金相試驗結(jié)果表明，焊縫、粗晶區(qū)存在淬硬板條馬氏體組織，并且晶粒粗大。裂紋均位于熱影響區(qū)熔合線附近，且裂紋的擴展走向為穿晶和沿晶混合型的，因此可以斷定此裂紋為冷裂紋。一般產(chǎn)生淬硬粗大

板條馬氏體組織是因焊接線能量過大、焊后冷卻速度控制不嚴或焊后熱處理工藝不規(guī)范等因素造成的。焊后熱處理工藝控制嚴格，會有效降低T91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，同時還能改善熱影響區(qū)和焊縫組織，使淬硬組織得到回火處理，從而提高焊接接頭組織的力學(xué)性能；否則，焊接接頭質(zhì)量將無法得到保證。④焊接時，如果焊接線能量大，不僅會產(chǎn)生粗大板條馬氏體組織，加熱時還會產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力。在冷卻過程中，如果采取措施不到位，就會導(dǎo)致焊接接頭留有大量的殘余熱應(yīng)力。另外，焊縫和熔合區(qū)存在粗大的淬硬馬氏體組織和母材為細小的回火馬氏體組織，具有不同的膨脹系數(shù)，在加熱或冷卻過程中會產(chǎn)生組織應(yīng)力。還有焊縫余高處的應(yīng)力集中。上述三種應(yīng)力疊加，加速了管子焊接接頭冷裂紋的產(chǎn)生和擴展。⑤焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當(dāng)冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；當(dāng)冷卻速度大時，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。所以T91鋼在焊接時，只有嚴格控制焊接工藝，才能避免或減小焊接接頭的失效率。

焊接接頭熔合區(qū)處裂紋性質(zhì)為冷裂紋，產(chǎn)生的原因主要有：①T91鋼由于焊后產(chǎn)生的馬氏體的組織應(yīng)力和擴散氫、拘束度等綜合作用，導(dǎo)致其具有較大的冷裂傾向；②T91鋼的淬硬傾向大、焊縫余高結(jié)構(gòu)處應(yīng)力集中；③與管子焊接時的工藝條件、工藝措施和焊后熱處理工藝密切相關(guān)，特別是焊后緩冷速度控制不嚴和焊后熱處理工藝規(guī)范未有效降低T91鋼的冷裂紋產(chǎn)生條件。

3.2 管樣泄漏原因

由于1，2號管焊接接頭熔合區(qū)開裂沒有明顯的張口，斷口也未見沖刷痕跡，因此，熔合區(qū)開裂不是此次泄漏的首漏點。從1，2號管實物蒸汽相互沖刷痕跡和爆口形貌分析來看，首漏點應(yīng)該位于焊接接頭焊縫上，由于首漏點處焊縫被沖刷掉，因此未能對其金相組織分析。由1號管未開裂部位縱截面金相可見，焊縫內(nèi)部有氣孔和裂紋缺陷，不排除首漏點焊縫內(nèi)部存在焊接缺陷。焊接缺陷會引起應(yīng)力集中，進而引起裂紋，最終導(dǎo)致焊接接頭泄漏。

4 結(jié)論

從以上分析可以看出，前屏過熱器焊接接頭內(nèi)部存在焊接缺陷，從而引起裂紋產(chǎn)生，最終導(dǎo)致焊接接頭失效；前屏過熱器和高溫過熱器的熱影響區(qū)熔合線裂紋為典型的冷裂紋；焊縫、粗晶區(qū)淬硬粗大板條馬氏體組織和焊接殘余應(yīng)力是前屏過和高過焊接接頭熱影響區(qū)熔合線開裂的主要原因；嚴格按照T91焊接工藝措施、焊接工藝條件施焊是避免焊接接頭組織及熱影響區(qū)組織出現(xiàn)缺陷，保證焊接接頭質(zhì)量的重要措施。

參考文獻

[1]婁杰云.T91/P91鋼的性能分析及焊接工藝[J].華電技術(shù)，2010，32（4）：35-38.

————————

作者簡介：張偉妮（1984—），女，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事發(fā)電廠金屬監(jiān)督工作。

〔編輯：王霞〕