SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫熱裂紋原因分析

張兆林

摘要：某鍋爐制造公司生產的SA-213TP347HFG膜式水冷壁結構高溫過熱器和高溫再熱器部件角焊縫出現大量熱裂紋，通過宏觀和微觀組織觀察對裂紋形態和斷口形貌的特征進行描述，從扁鋼表面質量、焊接材料選擇、焊接熱輸入和拘束應力、能譜分析等方面分析熱裂紋形成的原因。研究結果表明，扁鋼表面清潔度差以及焊材ER309LSi的Ni含量高是導致SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產生大量熱裂紋的主要原因，為同類缺陷的處理提供了理論依據。

關鍵詞：SA-213TP347HFG;角焊縫熱裂紋;原因分析;清潔度;ER309LSi

中圖分類號：TG457.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.10

0? ? 前言

某350 MW超臨界循環流化床鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器部件采用膜式水冷壁結構（簡稱水冷壁），隨著對機組效率和抗氧化性能要求的提高，選用的鋼管材質逐漸從SA-213T91、SA-213TP304H、SA-213TP347H過渡到SA-213TP347HFG。細晶粒奧氏體TP347HFG是日本住友公司針對TP347H鋼管在熱循環作用下產生氧化皮并剝落的現象而研制的不銹鋼，TP347HFG室溫、高溫力學性能與TP347H基本相同，持久強度高約20%，且具有更好的抗蒸汽氧化能力[1-2]，主要應用在超臨界機組鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器蛇形管管屏結構上，在水冷壁結構上應用較少。膜式水冷壁結構是鍋爐的主要受熱部分，由鋼管、扁鋼以及起連接作用的角焊縫組成，采用大型機械焊設備進行焊接，多把焊槍同時施焊形成管片組件，再經過4頭機械焊多次合屏形成水冷壁管屏組件。

某鍋爐制造公司采用熔化極氣保焊工藝首次組焊TP347HFG水冷壁管屏，角焊縫發現大量熱裂紋，造成巨大的經濟損失。文中針對角焊縫出現大量熱裂紋的原因進行分析。

1 試驗材料與方法

1.1 材料

膜式水冷壁管屏鋼管材質為SA-213TP347HFG，規格為φ63.5 mm×5.0 mm，扁鋼材質為12Cr18Ni9，規格為□6 mm×13 mm。根據角焊縫的焊接工藝評定，并借鑒實際生產經驗，焊材選用直徑φ1.2 mm的ER309LSi實心焊絲。鋼管、扁鋼和焊絲的化學成分如表1所示。

1.2 焊接順序

鋼管和扁鋼備料，在起始端進行點焊連接形成5管6扁鋼水冷壁管片組件，送進20頭熔化極氣保焊大型機械焊設備施焊，保護氣體為φ（Ar）95%+φ（CO2）5%，氣體流量22 L/min，配氣站管道供氣，管片結構如圖1所示。20把焊槍分4組布置，按先后施焊順序記為：上六槍→下六槍→上四槍→下四槍，上六槍施焊管片第1、3、5根鋼管與扁鋼上側角焊縫，下六槍施焊管片第1、3、5根鋼管與扁鋼下側角焊縫，上四槍施焊管片第2、4根鋼管與扁鋼上側角焊縫，下四槍施焊管片第2、4根鋼管與扁鋼下側角焊縫。具體焊接參數如表2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀觀察

管片整體長度9 500 mm，目測可見裂紋形態，待管片冷卻至室溫進行滲透檢測，可見多處線性顯示，如圖2所示。目視檢測發現，裂紋存在于焊縫，遠離焊接熱影響區和母材，具有兩種分布特征：一部分裂紋之間近似平行，與焊接熱源移動方向成一定角度，具有規律性;另一部分裂紋（包含弧坑裂紋）位于角焊縫縱向中分面沿長度方向開裂。由此可初步判定該裂紋屬于熱裂紋中的結晶裂紋，也稱為凝固裂紋。

2.2 顯微組織觀察

在低倍鏡下觀察角焊縫裂紋位置和走向，在高倍鏡下觀察金相組織，如圖3所示。

由圖3a可知，焊縫表面和焊縫內部均存在裂紋，裂紋中心較寬，兩端有尖角，尖角曲折;裂紋兩側晶粒成一定角度，即裂紋位于不同位向晶粒生長交匯處。由圖3b可知，裂紋在柱狀枝晶之間沿晶開裂，具有結晶裂紋的典型特征。由圖3c可知，焊縫金相組織為奧氏體+骨架狀鐵素體。

用鋸床去除鋼管多余部分，制取橫截面試樣，采用手工鋸從鋼管內壁向鋼管與扁鋼貼合面鋸切，裂紋與貼合面相連，用虎鉗夾緊鋼管兩斷面，緩慢施加夾緊力，使角焊縫外表面裂紋開口張大，獲得裂紋斷面，試樣結構如圖4所示。

由圖4b可知，裂紋斷面呈淡黃色金屬光澤，是短時高溫氧化導致的，說明裂紋形成時處在較高溫度，符合焊接熱裂紋的特征。對裂紋斷面進行電鏡掃描，電鏡圖片如圖5所示。

由圖5a、5b可知，斷面位于焊縫中心，斷口宏觀形貌為層狀斷裂，無明顯的塑性變形，斷口凹凸不平，呈臺階狀，與鑄件中夾雜物和偏析導致的裂紋斷口形貌相似;由圖5c、5d可知，斷裂方式為沿晶開裂，沿柱狀晶晶粒長軸方向擴展，晶粒表面存在大量的夾雜物;由圖5e、5f可知，夾雜物不均勻分布于晶粒之間，大小不一，形狀不規則，與奧氏體顏色差異較大。

3 裂紋原因分析

3.1 原材料表面狀態

水冷壁管屏扁鋼材質為12Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，供貨狀態為固溶處理+酸洗。扁鋼表面應為光亮的金屬光澤，但實際的供貨狀態見圖6a，扁鋼表面有一層黑灰色的Fe3O4氧化皮，并存在局部脫落，氧化皮脫落部位呈綠色部分是Cr2O3，呈紅色部分是水合氧化鐵。由此可知，12Cr18Ni9不銹鋼扁鋼表面存在嚴重氧化，這是因為固溶處理過程中產生了氧化物。為了改善扁鋼表面狀態，進行了酸洗，酸洗后扁鋼表面狀態見圖6b，經酸洗鈍化后，氧化物沒有去除干凈，也未形成銀灰色致密的氧化物薄膜。扁鋼表面除存在氧化物外，還存在成分不明的粉末狀雜質，表面清潔度不可控，對焊接質量的影響也不可控，因此，扁鋼表面質量差是影響焊接熱裂紋的主要因素。

3.2 焊接材料選擇

AWS ER309焊絲名義成分是24Cr-13Ni，常用于焊接相似成分的鍛件和鑄件，當存在嚴重的腐蝕條件且要求采用合金元素較高的焊縫金屬時，常用于焊接304型及類似母材，以及異種鋼的焊接，AWS ER309LSi有更低的含碳量和略高的Si含量，其化學成分如表3所示，改善了在金屬極氣保焊中填充金屬的工藝性[3]。

結晶類型與焊縫成分的關系，可采用當量比來判斷，奧氏體形成元素用Ni當量來表示，鐵素體形成元素用Cr當量來表示，其表達式分別是：

結晶類型與鉻、鎳當量比有如下關系：Creq/Nieq≤1.48，A型和A-F型;Creq/Nieq≤1.95，F-A型;Creq/Nieq>1.95，F型。對于一些廣泛使用的不銹鋼焊材，根據其化學成分范圍，可利用上述公式來確定焊縫金屬的結晶類型，309焊縫屬于F-A型[4]。

利用上述公式和判據進行驗證，計算結果為：

Creq（ER309LSi焊縫）=20.89%

Creq（ER308LSi焊縫）=20.18%

Nieq（ER309LSi焊縫）=9.6%

Nieq（ER308LSi焊縫）=12.195%

Creq/Nieq（ER309LSi焊縫）=2.17

Creq/Nieq（ER308LSi焊縫）=1.65

由計算結果可知，Creq/Nieq（ER309LSi焊縫）>1.95，為F型結晶模式，應得到完全的鐵素體組織，而實際焊縫金相組織為奧氏體+骨架狀鐵素體（見圖3c），與計算結果矛盾。對比焊縫與焊絲化學成分的變化可知，其中Ni含量和Mn含量明顯降低，原因是化學成分分析采用了電火花直讀法，測量位置在焊縫表面，未能覆蓋到內部晶界，Ni和Mn元素在晶界偏析。

若不考慮稀釋的影響，以焊絲的化學成分估算結晶模式計算，Creq/Nieq（ER309LSi焊絲）=1.66，Creq/Nieq（ER308LSi焊絲）=1.84，焊縫的結晶類型均為F-A型，即從高溫冷卻到室溫相變過程為：L→L+F→L+F+A→A+F。在以F-A結晶類型凝固時，隨Creq/Nieq值增加，奧氏體數量減少，鐵素體數量增加，裂紋敏感性降低，因此選用ER308LSi焊絲，焊縫金相組織中鐵素體含量比ER309LSi多，抗裂性更好。經過施焊驗證，選用ER308LSi焊絲后，水冷壁管屏僅少量焊縫存在熱裂紋，數量減少約90%。因此，焊接材料是焊接熱裂紋產生的主要影響因素。

3.3 焊接熱輸入與拘束應力分析

取表2中焊接參數范圍內限值計算最大焊接熱輸入E=672 J/mm=0.672 kJ/cm。焊接熱輸入處于較低的范圍內，相比半自動氣保焊，機械焊的焊接速度更快，焊接熱輸入低約40%，不存在熱輸入過大的情況;在實時觀察中發現，位于上六槍對應的焊縫在電弧移開后立即產生肉眼可見的裂紋，此時為單根管與兩側扁鋼相焊狀態，還未形成五根管組件，與半自動氣保焊情況相同，處于拘束度很小的情況，說明拘束應力不是裂紋產生的主要因素。

3.4 能譜分析

對斷口表面的不規則夾雜物進行電鏡能譜分析，取點位置和能譜分析結果如圖7所示。

由圖7a可知，該處Si含量明顯超出正常范圍且遠高于ER309LSi焊縫中的Si含量，Cr和Fe含量低于正常范圍，且遠低于ER309LSi焊縫中的Cr和Fe含量（見表3）;由圖7b可知，該處Si、Mn、Ni含量超出正常范圍且高于ER309LSi焊縫中的含量。Si元素是兩處取點位置共同存在的且超出合理范圍，說明此處裂紋與Si元素有著密切關聯。Si在焊接過程中形成復雜的硅酸鹽，在晶界間形成一層脆的硅酸鹽薄膜，在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區，會導致高溫失塑裂紋的形成[5]。因此，Si元素的偏析是形成裂紋的直接原因。Ni元素容易與S或Si形成低熔點共晶物，同時Ni還促進偏析，增大熱裂紋傾向，ER308LSi焊絲中的Ni元素含量比ER309LSi焊絲高約4%，也印證了選擇ER308LSi焊絲施焊熱裂紋明顯減少的實際情況。

4 結論

（1）扁鋼表面不清潔是一個不可控變量，是SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產生熱裂紋的一個主要因素，對于表面存在氧化皮等雜質的扁鋼，除需進行酸洗鈍化等表面處理工藝外，還應對扁鋼表面進行打磨，使其呈現金屬光澤。

（2）對于ER309LSi焊絲，隨著Creq/Nieq增加，奧氏體數量減少，鐵素體數量增加，裂紋敏感性降低，而采用ER308LSi焊絲，焊縫金相組織中鐵素體含量比ER309LSi多，有助于降低SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫的熱裂紋敏感性，抗裂性更好。

（3）相比半自動氣保焊，機械焊的焊接速度更快，焊接熱輸入更低，當前選用的焊接參數不是SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產生熱裂紋的主要因素;在拘束度還很小時，熱裂紋就已經產生，因此拘束應力不是導致熱裂紋的主要因素。

（4）通過電鏡掃描和能譜分析可知，Si元素偏析是形成熱裂紋的直接原因。ER309LSi焊絲中的Ni含量比ER308LSi焊絲高約4%，而Ni元素容易與S或Si形成低熔點共晶物，同時Ni還促進偏析，增大熱裂紋傾向，綜合分析結果，選用Ni含量高的ER309LSi焊絲是導致SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產生大量熱裂紋的根本原因。

參考文獻：

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