T91/TP347H異種鋼焊接接頭開裂失效分析

杜寶帥 金樹生 張忠文 李新梅 步衍江 索帥 李文

摘要：采用金相顯微鏡、背散射電子衍射系統、顯微硬度計、萬能材料實驗機對350 MW超臨界鍋爐再熱器發生開裂的T91/TP347異種鋼焊接接頭進行了檢測和分析。結果表明，開裂由新型馬氏體耐熱鋼Ⅳ型裂紋所致，開裂區域為異種鋼接頭T91鋼熱影響區的部分相變區。異種鋼接頭在服役過程中承受較高的應力，而部分相變區的微觀組織導致其蠕變強度在接頭中最低，高溫服役過程中裂紋通過蠕變空洞連接方式在部分相變區形成并導致最終的開裂。

關鍵詞：T91/TP347;異種鋼接頭;開裂;Ⅳ型裂紋

中圖分類號：TG457.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0046-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.09

0? ? 前言

火電機組的過熱器、再熱器部件不同區段的運行溫度和壓力不同，為滿足機組運行的安全、高效和經濟性要求，這些部件需要大量采用異種鋼焊接接頭。T91/TP347H為典型的馬氏體-奧氏體異種鋼接頭，在超（超）臨界機組中具有廣泛的應用[1-2]。該接頭由具有良好熱強性的細晶馬氏體耐熱鋼T91和具有良好抗氧化性和蠕變強度的TP347H奧氏體不銹鋼組成，焊縫金屬一般為鎳基焊材[3-4]。

由于馬氏體-奧氏體異種鋼接頭母材與焊縫金屬的物理冶金性能以及熱膨脹系數差異較大，在機組運行過程中易發生碳遷移、界面應力過高、組織劣化等問題，使得焊接接頭在高溫高壓運行工況下易發生早期失效，成為了耐熱鋼焊接領域關注的熱點[5-7]。但是，目前開展的大量異種鋼接頭試驗和模擬計算研究與實際工況相比仍然存在一定差異[8-9]，因此針對實際工況下發生失效的T91/TP347H馬氏體-奧氏體異種鋼接頭開展研究具有重要意義。

某350MW超臨界鍋爐高溫再熱器在運行過程中發生泄漏，開裂位置為高溫再熱器出口管排T91/TP347異種鋼焊接接頭處，處于頂棚下方50 mm。高溫蒸汽壓力為4.41 MPa，機組服役時間為7萬小時，管子規格φ50.6 mm×4 mm。文中對開裂接頭的宏觀形貌、顯微組織、硬度以及母材的強度和塑性進行了試驗檢測，分析接頭開裂原因并提出處理建議，以期促進該類接頭焊接和金屬監督技術的發展。

1 試驗方法

T91/TP347H異種鋼接頭采用鎢極氬弧焊制備，焊接電流80～100 A，焊接電壓10～12 V，背面充氬保護，焊接材料為ERNiCr-3鎳基焊絲，焊前預熱溫度為150 ℃，焊后不進行熱處理。沿焊接接頭橫截面采用線切割取樣，試樣經砂紙磨制、拋光后采用100 mL H2O+5 g FeCl3+50 mL HCl腐蝕液侵蝕，進行金相觀察。焊接接頭電子背散射衍射（EBSD）試樣經砂紙磨制后采用硅溶膠進行拋光，采用JSM-7800F場發射掃描電鏡與牛津NordlysMax3系統進行EBSD分析，利用Channel5軟件進行數據處理。

采用Tukon1102型硬度計對焊接接頭進行顯微硬度測試，測試載荷200 g，保荷時間15 s，測試點間距為0.1 mm。采用WDW-300E萬能材料實驗機按照《GB/T228.1-2010金屬材料室溫拉伸試驗方法》、《GB/T232-2010金屬材料彎曲試驗方法》測試T91鋼側母材的拉伸性能和彎曲性能。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌

發生開裂的再熱器管焊接接頭宏觀形貌如圖1所示。開裂區域位于臨近焊縫T91鋼側的焊接熱影響區。裂紋沿再熱器管環向分布，開裂區域未見明顯的漲粗及變形。從焊接接頭橫截面（見圖1b）可以清晰的觀察到焊縫及TP347和T91鋼兩側的熱影響區域，開裂區距離T91鋼側熔合線的距離約為3 mm，裂紋在管壁的中部張口較大。

2.2 顯微組織

焊接接頭T91鋼側HAZ以及母材的金相組織如圖2所示。緊鄰熔合線的區域由于焊接過程中經歷了較高溫度的熱循環，發生晶粒長大現象，呈現出較大的原奧氏體晶粒和典型的馬氏體板條狀結構（見圖2a）。圖2b為熱影響區的細晶區，該區域溫度處于Ac3以上，發生相變再結晶后形成晶粒細小的馬氏體組織。斷口所在位置的原奧氏體晶粒同樣較為細小，還可觀察到另外一條尺寸較小的裂紋以及蠕變空洞的存在。根據斷口處金相組織以及與熔合線之間的距離判斷，該區域為T91鋼側的部分相變區（intercritical heat affected zone，ICHAZ），該區域焊接時溫度處于Ac1～Ac3之間，部分組織發生相變重結晶，而其余部分為過回火的馬氏體。母材為回火馬氏體組織，由于材料已經服役7萬小時，組織發生一定程度的馬氏體板條回復和析出相長大。

異種鋼接頭T91鋼側不同區域的電子背散射衍射取向成像圖如圖3所示?？梢钥闯?，粗晶區具有典型的馬氏體板條束的形貌特征，而細晶區和部分相變區的晶粒明顯細化。依據大角度晶界（HAGB，位相差α>15°）進行了晶粒尺寸統計，T91鋼側粗晶區、細晶區、部分相變區、母材的晶粒度分別為7.60 μm、5.87 μm、5.81 μm、6.63 μm。粗晶區的晶粒尺寸最大，而開裂位置所在的部分相變區晶粒尺寸最為細小。

2.3 顯微硬度

異種鋼接頭T91鋼側焊縫及熱影響區的顯微硬度測試結果如圖4所示?？梢悦黠@觀察到硬度分布不均勻。焊縫平均硬度為262 HV，靠近熔合線的位置下降為185 HV。熱影響區粗晶區硬度為260～295 HV，隨著粗晶區向細晶區和部分相變區的轉變，硬度總體呈現逐漸降低的趨勢。開裂區域所處的部分相變區為整個接頭中硬度較低的區域，最低值僅為103 HV。T91鋼母材的硬度約為221 HV，從顯微測試結果可以看出，開裂區所在的部分相變區是整個接頭中的軟化區域。

2.4 T91鋼側母材的力學性能

采用萬能材料試驗機對異種鋼接頭T91鋼側母材進行拉伸性能測試，結果如表1所示。T91鋼側母材的抗拉強度平均值為646.5 MPa，而且兩個試樣的拉伸測試結果非常接近。對比標準可以發現母材仍然具有較高的抗拉強度。采用180°冷彎試驗測試母材的彎曲性能，測試試樣表面完好，未見裂紋出現，表明材料具有良好的塑性。

2.5 分析與討論

根據試驗結果可知，裂紋產生于T91/TP347異種鋼接頭中T91鋼側熱影響區。綜合宏觀形貌、金相組織分析以及EBSD觀察結果，可以判斷出裂紋產生的區域為部分相變區（Intercritical heat affected zone，ICHAZ），裂紋的類型為新型馬氏體耐熱鋼特有的Ⅳ型裂紋[10]。該區域具有細化的馬氏體晶粒組織，其硬度在整個接頭中最低，是焊接接頭的軟化區。T91鋼側母材拉伸和彎曲性能檢測的結果表明T91鋼側拉伸強度和塑性滿足使用要求，開裂同原始母材的質量及劣化無關。

發生開裂的T91/TP347H異種鋼焊接接頭位于鍋爐頂棚下50 mm位置。該位置拘束度較高，再熱器管排由于受熱變形不均以及自重影響，在接頭位置產生較大的應力。而且該應力還同蒸氣壓強帶來的工作應力、焊接殘余應力以及異種鋼接頭各區域熱膨脹系數差異造成的熱應力疊加，使得整個異種鋼焊接接頭處于高應力水平，構成接頭開裂的力學因素。

從微觀組織角度分析，裂紋的產生同T91鋼側熱影響區中不完全相變區在焊接、焊后熱處理、高溫服役過程中的組織演變相關。Wang等[11-12]的研究結果表明，部分相變區Ⅳ型裂紋的形成同Cr含量差異造成的晶粒之間蠕變強度不均以及M23C6析出相的粗化有關。T91鋼在焊接過程中，HAZ中的部分相變區在焊接時經歷加熱，存在未發生奧氏體相變的區域和奧氏體化后再次發生馬氏體轉變的混合組織形態，而且存在未完全溶解的M23C6析出相。這些M23C6析出相在隨后的熱處理過程中發生粗化長大現象，而發生奧氏體化相變的區域則存在過回火現象。在高溫服役過程中，蠕變強度較低的回火馬氏體晶粒將通過晶界滑移等方式發生變形，在存在M23C6析出相的晶粒交界處產生蠕變空洞。管壁中部的三向應力水平最高，蠕變空洞最先從該處萌生并在隨后的過程中連接形成裂紋，裂紋在服役過程中逐漸發展造成最終的再熱器管開裂。

通過上述分析，可以發現異種鋼焊接接頭處的高應力水平以及部分相變區的低蠕變強度是導致Ⅳ型裂紋產生的關鍵因素。因此，避免此類開裂產生的有效措施為采用改進管排設計等方法降低因拘束帶來的接頭高應力水平，消除或減少開裂的力學因素。此外，通過對T91鋼部分相變區的微觀組織分析，在制造過程中應使材料微區Cr元素含量均勻化[12]，焊接后獲得晶粒強度均勻的部分相變區組織，同時減緩M23C6析出相的粗化，避免高溫蠕變集中在部分相變區。

4 結論

（1）T91/TP347H再熱器異種鋼焊接接頭開裂為T91鋼側熱影響區Ⅳ型裂紋所致。開裂所在的位置為部分相變區，該區域由晶粒細小的馬氏體組織構成，在接頭中具有最低的硬度103 HV，為接頭中的軟化區域。

（2）在T91/TP347H異種鋼接頭高溫服役過程中，管排拘束、蒸汽壓力、焊接殘余應力、接頭中母材同焊縫金屬熱膨脹系數差異等因素造成接頭處存在較高的應力水平。部分相變區強度不均的晶粒組織以及粗大的M23C6析出相的存在導致其蠕變強度較低，服役過程中在高應力作用下裂紋通過蠕變空洞連接的方式在部分相變區形成、發展并導致最終的開裂。

（3）建議通過改進管排設計等方法降低該類異種鋼焊接接頭的應力水平，優化T91鋼側顯微組織使晶粒強度均勻化并減緩M23C6析出相的粗化速度，降低接頭Ⅳ型裂紋產生傾向。

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