高參數鍋爐立式低溫再熱器異種鋼焊縫裂紋分析及防范措施

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，河源 517025）

高參數鍋爐立式低溫再熱器異種鋼焊縫裂紋分析及防范措施

劉曉東

（深能合和電力（河源）有限公司，河源 517025）

奧氏體不銹鋼與低合金鋼管子的異種鋼焊接接頭在鍋爐運行的過程中，易出現裂紋、貫穿、泄漏爆管的現象。本文著重從結構、金相組織、化學成分、裂紋形狀、硬度檢查、抗拉強度等方面闡述了裂紋產生的原因，并對預防和檢查提出了借鑒意見。

異種鋼 焊縫 裂紋 機理

引言

河源電廠一期工程為2×600MW超超臨界機組，投產日期為2009年8月14日。鍋爐系哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計、生產的HG-1795/26.15-YM1型鍋爐，主汽及再熱蒸汽（熱段）溫度分別為603℃/605℃的超超臨界變壓本生直流爐，設計煤種為煙煤。

奧氏體不銹鋼由于具有良好的導熱性能和耐高溫抗氧化性能，而被廣泛應用到電站鍋爐的再熱器和過熱器的高溫受熱面中，如超超臨界鍋爐的一過、二過或者一再。從鍋爐制造廠的設計角度考慮分段材質來節省造價，因此在同級受熱面采用不同材質時，就存在廠內的異種鋼焊接來實現兩種鋼材的對接。這個異種鋼焊縫難免成為了整個部件制造過程中的最關鍵環節，如果焊接材料、焊接工藝、焊接參數等使用不得當，往往也會成為整個部件中最薄弱的部分，從而造成機組四管泄漏被迫停機，嚴重危及機組的長期、穩定、安全運行。

1 裂紋描述

立式低溫再熱器的異種鋼焊縫兩側母材材質分別是：優質耐熱低合金鋼的12Cr1MoVG和抗高溫氧化性能較好的奧氏體SA-213TP347H材料。管子規格為φ57×4mm，在制造廠內采用手工氬弧焊對接的焊接工藝，熔焊金屬為鎳基焊絲，牌號為ERNiCr-3。焊縫裂紋的短管原始照片見圖1。

圖1 裂紋短管原始照片

母材和焊絲的成分見表1。

表1 材料化學元素含量（%）

截至管子裂紋泄漏被發現，該機組已經累計運行近22000h左右。對管子進行目測和測量檢查，未發現有明顯的漲粗或者表面龜裂等現象。裂紋出現在低合金鋼側的熔合線位置，沿管壁厚度方向呈貫穿狀態，分別見圖2和圖3。

圖2 裂紋位置

圖3 裂紋ED S線掃描圖

2 裂紋原因分析

2.1 結構分析

SA-213TP347H與12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭為直管對接焊縫，焊縫接口的管子規格是一致的。從設計角度來看，接頭位置不存在結構的凸起或者應力集中。另外，在焊縫上方距離此接口位置較遠處，設計有結構性的彎管，熱態運行時該彎管部分吸收了一定的膨脹量。因此，該焊縫處于相對無拘束的自由狀態。從圖4可以看出，開裂焊縫為焊接的起弧點。由于焊工本身的技術差異，造成個別焊縫的起弧點因引弧時間過長而內表面形成焊瘤，有時高于母材表面的最大值約為3.5mm，焊瘤與12Cr1MoVG材質管子內壁之間形成了一個鈍角。對該焊瘤所在焊縫的內部剖開檢察剖面發現，除裂紋所在的位置外，整條環縫內部成形均勻一致，且焊肉高度均不超過1 mm，符合技術規范要求，詳細見圖5。細致觀察發現：焊縫開裂的起始點應該是焊縫的起弧點，又是焊縫結束時的收弧點，即焊瘤所在位置。

圖4 開裂焊縫起弧點余高

圖5 未開裂焊縫起弧點余高

因此，焊縫內表面局部焊肉過高，在結構上形成應力集中，是造成焊縫開裂重要的結構上的因素。

2.2 組織分析

金相組織分析顯示：12Cr1MoVG的組織為珠光體+鐵素體，SA-213TP347H為奧氏體組織，焊縫組織為鐵素體+奧氏體；焊縫和母材組織未見異常；裂紋內部充滿了一些黑色的氧化物質，分析可能由高溫蒸汽泄漏過程中通過裂紋表面對鐵素體表面氧化所致，屬于裂紋產生后蒸汽泄漏的次生物質，為正常現象。

圖6為裂紋尖端照片。裂紋發生在HAZ和焊縫融合面的分界面上，同時裂紋的延展也是沿此分界面上進行的，且始終未向HAZ和焊縫的內表面延展。在開裂的焊縫中也未見任何孔洞，說明裂紋的產生不符合蠕變斷裂理論。因此，基本可以判定該裂紋的產生不是因為金屬蠕變失效造成的。

圖6 裂紋尖端照片

2.3 化學分析

通過對裂紋周圍位置的化學分析發現，裂紋焊縫的兩側中，即12Cr1MoVG側焊縫熱影響區和SA-213TP347H側焊縫熱影響區中，各主要化學元素分布均勻、含量穩定，焊縫和母材過渡區的化學成分連續、平滑，不存在化學元素出現斷層和析聚區的現象。因此，裂紋的產生也不是化學成分結構不均勻、化學成分斷層、析聚造成的。

2.4 硬度分析

對焊縫兩側熱影響區的硬度測試結果表明：在焊縫的熔合線兩側，無論是焊縫本身、還是12Cr1MoVG側的HAZ的硬度值，均比其他母材區域略高。這符合鎳基焊材在焊接過程中碳元素在焊縫界面的遷移受到的抑制作用，從而使得碳元素在焊縫熔合區域富集，加之熱影響區的綜合作用，造成焊縫區域附近硬度值偏高，但仍在合格范圍內。

按照工藝要求，此兩種材質的異種鋼焊接后不用做任何熱處理工藝，而無論是母材、焊縫還是HAZ區域，其硬度值均在較為合理的范圍內。這足以說明完成該焊縫的手工氬弧焊焊接工藝、焊接參數、焊材選用等控制都是恰當、合理的。

2.5 強度分析

在裂紋產生的焊縫中割取無裂紋的部分做成標準試樣，在專用設備上進行抗拉強度試驗。結果：試樣呈韌性斷裂，抗拉強度值為610MPa以上，均高于兩側母材的抗拉強度國家規范值的下限值。拉伸試樣的斷裂處位于焊縫靠12Cr1MoVG側的管子母材上，符合12Cr1MoVG比SA-213TP347H材料的抗拉強度略低的基本原理，說明焊縫的抗拉強度是合格的。

2.6 小結

綜上所述，該異種鋼焊縫裂紋的產生系在制造過程中手工氬弧焊的焊工操作不當、焊縫在管子內表面的起弧點形成焊瘤且焊肉過高、鍋爐在熱態運行中該焊瘤區域產生較大的應力集中。同時，該焊縫焊瘤區域還承受著復雜的交變應力作用。在這些不利因素的綜合作用下，應力集中的焊瘤所在位置產生一定的疲勞。當這些作用積累至一定限值后，便會在應力集中的最薄弱點爆發、擴展，形成裂紋。隨著時間的積累，裂紋沿著晶粒間向相對薄弱的區域不斷延展，最終到達管子內壁產生貫穿，造成焊縫失效并發生爐管泄漏。

3 結論

手工氬弧焊接工藝在異種鋼管接頭焊縫施焊過程中，造成管子內表面焊瘤高度過高，產生局部的應力集中。

鍋爐在點火啟動、升溫升壓、負荷波動、停爐降溫等操作時造成管子的交變應力，是裂紋產生的誘因，同時它又加劇了裂紋的延展。

異種鋼焊縫的金相組織和化學元素含量分析、抗拉強度和焊縫區域的硬度測試結果等均未見異常，表明管子母材合格，且受用于該材質的異種鋼焊縫的焊材選用、焊接工藝等因素符合規范要求。

建議在鍋爐受熱面管子的異種鋼焊縫焊接的過程中，減少人工操作量，提高焊接機械自動化，加強焊縫的起弧點焊瘤和焊縫成型質量的控制，減少局部應力集中對焊縫產生的疲勞損傷，從而保證異種鋼焊焊縫的長期、安全、穩定運行。

在制造廠焊縫探傷后的評片環節中，加強對異種鋼焊縫起弧點成型的檢查和評估，對焊瘤、焊肉高度超標的堅決予以返回處理，從而從根本上杜絕因焊縫應力集中造成的受熱面管子失效。

在機組大小修期間，對異種鋼焊縫進行抽檢或者全面射線檢查，對焊縫內表面起弧點焊肉過高或者焊縫有裂紋缺陷的要及時處理。

[1]張文鉞.《焊接冶金學》（基本原理）[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]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.

Analysis and Preventive Measures of Weld Crack of Dissimilar Steel in High Parameter Boiler

LIU Xiaodong
(deep energy and electric power (Heyuan) Co., Ltd., Heyuan 517025)

The dissimilar steel welding joint of austenitic stainless steel and low alloy steel tube is in the process of boiler operation, and it is easy to crack, run through, leak and burst pipe. This paper emphatically expounds the causes of crack in the aspects of structure, microstructure, chemical composition, crack shape, hardness and tensile strength, and puts forward some suggestions for prevention and inspection.

dissimilar steel, weld, crack, mechanism