TP347H/G102末級過熱器異種鋼焊縫失效分析及處理

劉德勇

華能臨沂發電有限公司 山東臨沂 276016

1 序言

某電廠1#鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造的1025t/h亞臨界一次中間再熱自然循環鍋爐，型號為HG-1025/18.2-540/540-WM10，采用單爐膛Π型布置，采用直流燃燒器正四角切圓燃燒方式，給水溫度為279.4℃，汽包工作壓力為19.61MPa。

末級過熱器位于后屏過熱器和后水冷壁吊掛管之間，分成前后二級。前級27片以457.2mm的橫向節距沿整個爐寬方向布置。后級54片以228.6mm的橫向節距沿整個爐寬方向布置。2009年7月和12月，1#鍋爐末級過熱器后級G102/TP347H基建安裝異種鋼焊縫（TP347H管尺寸為?51mm×7.5mm，G102管尺寸為?51mm×8mm）沿熔合線發生了兩次泄漏，第一次泄漏時機組運行了67 772h。

2 裂紋分析

圖1 爆管現場

（1）宏觀檢查 1#鍋爐2009年7月爆管現場如圖1所示，末過后級爐右23屏前數第1根異種鋼焊縫熔合線處有穿透性裂紋，吹爆和吹損末過前級與后級管子共30根。1#鍋爐2009年12月爆管現場如圖2所示，末過后級爐右2屏前數第3根異種鋼焊縫G102鋼側熔合線處有穿透性裂紋，吹損末過后級相鄰2根管子。

對裂紋管進行取樣，并將其剖開，其形貌如圖3所示。

圖2 G102鋼側爆管

圖3 開裂處斷口宏觀形貌

（2）化學成分分析 取裂紋管焊縫兩邊母材進行化學成分分析。G102鋼及TP347H不銹鋼的化學成分分別見表1、表2。可知G102鋼及TP347H不銹鋼的化學成分分別符合GB/T 5310—1995《高壓用無縫鋼管》和ASME A213—1998的要求[1]。

（3）金相分析 對失效管子接頭進行金相微觀組織分析，顯微組織照片如圖4～圖7所示。從圖中可知，失效管G102鋼母材為正常的回火貝氏體組織，未發現異常；裂紋位于G102鋼與焊縫的熔合線位置上；TP347H不銹鋼側熱影響區組織過熱段晶粒較粗大，TP347H不銹鋼熔合線組織晶粒被拉長并與焊縫存在明顯的熔合線；TP347H不銹鋼母材顯微組織為典型的奧氏體[2]。從金相組織來看，TP347H/G102異種鋼焊接接頭中G102鋼側焊縫熔合線裂紋是泄漏的直接原因。

表1 G102鋼母材的化學成分（質量分數） （%）

表2 TP347H不銹鋼母材的化學成分（質量分數） （%）

圖4 G102鋼側母材金相組織（500×）

圖5 G102鋼側熔合線位置 金相組織（200×）

圖6 TP347H不銹鋼側母材金相組織（200×）

圖7 TP347H不銹鋼側熔合線位置金相組織（200×）

（4）拉伸試驗 在1#鍋爐末過未失效異種鋼焊縫位置取樣，對取樣管進行拉伸試驗，抗拉強度為636MPa，斷裂位置位于TP347H不銹鋼側，試驗結果合格。

3 綜合分析

開裂位置位于異種鋼G102側，完全沿熔合線發生開裂。同時在未失效取樣管上取樣進行金相試驗，未發現金相組織異常。該類失效是由于高溫下使用的奧氏體不銹鋼與貝氏體耐熱鋼的焊接接頭中存在碳遷移傾向。雖然采用鎳基焊材后，降低了碳自耐熱鋼一側向焊縫中的轉移，但通過循環加熱過程使碳遷移速度大大加快[3，4]。已運行接頭貝氏體耐熱鋼側靠近熔合線處會形成低硬度的脫碳區，相應焊縫中出現增碳硬化區，經過長期運行后，貝氏體耐熱鋼側熔合線沖擊性能會較低。在焊縫熔合線附近區域應力水平較高，與機組運行中的交變熱應力、爐管內氣流波動引起的振動應力等相疊加，使焊接接頭的熔合線附近受到了應力幅值較高的交變載荷作用而產生低周疲勞并導致失效。該類焊接接頭失效發生的時間主要與原始焊縫的焊接工藝控制、焊接接頭質量、運行中的溫度和應力水平等有關。

4 結論與建議

1）此次末級過熱器泄漏是典型的奧氏體不銹鋼鋼與貝氏體（珠光體）耐熱鋼焊縫在貝氏體耐熱鋼側熔合線處發生的早期失效。

2）采用射線檢測和超聲波檢測相結合的方法對1＃、2＃鍋爐同類型異種鋼焊縫進行全面檢測，檢測過程中應采取相應技術措施和工藝，保證對裂紋的檢出率。

在處理過程中，準備好已焊接的異種鋼焊縫短管，保證現場更換中避免異種鋼的焊接，以保證焊接質量。如情況允許，為從根本上防止再次發生類似問題，可通過技術改造將末級過熱器所有G102/TP347H異種鋼焊縫進行更換。