電站鍋爐中末級再熱器金屬管道焊接接頭斷裂原因分析

侯仰博

（菏澤市產品檢驗檢測研究院，山東 菏澤 274000）

國內電力行業的不斷發展，火力發電機組的容量及相關參數也隨之不斷增加，所以電站鍋爐對流管束高溫段的選材非常關鍵。日常應用中，一般使用奧氏體金屬材料，但為了降低成本，提高經濟效益，目前在低溫段仍使用耐熱型合金金屬材料，因此異種金屬焊接至關重要[1]。國內某電站的鍋爐末級再熱器，使用約7萬小時后出現了焊接接頭斷裂的情況，進而導致電站產生較大的經濟損失。此焊接接頭的兩端使用了不同的材質，采用合金焊條材料進行焊接，工作中的蒸汽壓力為3.62MPa，溫度為540℃，為了避免異種金屬材料在焊接接頭位置再次發生斷裂情況，本文對其失效開展研究。

1 理化檢驗和結果分析

1.1 宏觀形貌分析

斷裂出現在異種金屬管接頭合金管側的熔合線位置，并且順熔合線的整圈斷裂，根據圖1可知，斷口的兩側未出現顯著的塑性變形，而奧氏體管側的斷口位置可以清晰看見不同焊道的輪廓，其表面呈灰黑色，并且局部有黃褐色物質覆蓋，合金管側的斷口位置呈坡口形貌，表面呈灰黑色。

圖1 不同金屬材料接頭斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

通過直讀光譜儀對焊接斷口的母材進行化學成分分析，運用電感耦合等離子體發射光譜儀和碳硫儀針對焊縫金屬化學成分進行分析。根據表1可知，焊接斷口位置的奧氏體金屬管與合金管的母材成分均達到GB/T 5310-2017高壓鍋爐用無縫金屬管、ASME A213標準，并且焊縫的金屬成分也達到AWS A5.11標準。根據化學成分分析表可以發現，奧氏體金屬管和焊縫的金屬以及合金管間存在碳濃度。

表1 接頭斷口金屬管母材與焊縫金屬的化學成分

1.3 力學性能分析

依據GB/T 228.1-2010金屬材料拉伸試驗，在焊接斷口位置的兩側截取金屬管母材兩個帶頭的縱向弧形樣品，平行長度為60mm，標距為45mm，利用萬能試驗機進行拉伸測試分析。本次測試溫度為23℃，拉伸速度為2mm·min-1，按照標準測試后，焊接位置全部斷裂，由此表明不能開展拉伸測試分析。測試結果顯示，奧氏體金屬管屈服強度為243～244MPa，抗拉強度為585-608MPa，斷后伸長率為69.5%；合金金屬管屈服強度為335-337MPa，抗拉強度為493-501MPa，斷后伸長率為30.5%。與標準值對比顯示金屬管母材均符合標準。

采用維氏硬度計對奧氏體金屬材料管側的斷口縱向截面進行不同位置的維氏硬度測試，具體斷口測試點如圖2所示。載荷為98.07N，時間為10s，點1-3處于斷口附近的焊縫位置，點4-6處于焊縫中間位置，點7-9處于熔合線附近，點10-12處于熱影響區，點13-15處于母材位置。最終測試得出,斷口位置的焊縫區域硬度為204-214HV，焊縫中間硬度為204-213HV，304管母材硬度為133-141HV，304管側的熔合線焊縫硬度為200-207HV，熱影響區硬度為144-150HV，奧氏體金屬材料管側的焊接斷口不同位置硬度均符合標準。

圖2 奧氏體金屬材料管側斷口測試點

1.4 顯微組織和微區成分分析

在焊接斷口位置的兩側合金金屬管母材處和奧氏體金屬材料管側近斷口處，截取縱截面樣品進行測試分析。打磨、拋光后，使用4%的硝酸酒精溶液對合金金屬管母材樣品進行腐蝕，使用王水對奧氏體金屬材料管側的縱截面樣品進行腐蝕，利用光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察顯微組織及微觀形貌。測試結果顯示，合金金屬管母材組織主要是鐵素體與珠光體，而珠光體的球化屬于3.5級，在焊接斷口的焊縫中心位置，其組織主要是柱狀晶奧氏體。而在奧氏體金屬材料管側的熔合線位置，因碳化物經過聚集而形成了黑色條帶，處于近斷口的焊縫截面中，可以清晰看見沿晶界而分布的顯微裂紋。使用掃描電鏡深入觀察顯示，在奧氏體金屬材料管側的熔合線位置，黑色條帶區域內存在受碳化物侵蝕而形成的圓形孔洞及長條形孔洞，并且接近斷口的焊縫處有明顯的孔洞與孔洞連接產生的蠕變裂紋現象[2]。通過能譜儀對管側的熔合線位置黑色條帶與斷口附近的蠕變裂紋進行微區成分分析和檢測，結果顯示管側熔合線處的孔狀位置內含碳量較高，屬于富碳條帶層，近斷口的蠕變裂紋位置也存在較高的含碳量，奧氏體金屬材料管側的熔合線均有富碳層，并且此區域是合金金屬管側的熔合線位置。

使用掃描電子顯微鏡觀察奧氏體金屬材料管側和合金金屬管側的斷口形貌，結果如圖3所示。焊接兩側的斷口表面被氧化物覆蓋，無法分析微觀形貌。

圖3 奧氏體金屬材料管及合金金屬管斷口SEM形貌圖

2 斷裂原因

根據上述各項測試結果表明，再熱器使用的異種金屬管焊接接頭沿熔合線出現脆性斷裂的情況。焊接斷口位置的母材和焊縫金屬化學成分達到相關標準，但是在奧氏體金屬材料管和焊縫的金屬以及合金金屬管間出現碳濃度梯度，為碳遷移提供基礎。合金金屬管母材組織主要是鐵素體與珠光體，而珠光體的球化屬于3.5級，進而表明合金金屬管在高溫下長期工作會產生組織球化的情況。奧氏體金屬材料管側的熔合線位置顯示黑色條帶，并且該位置還存在受侵蝕造成的圓形孔洞及長條形的孔洞，在合金管側熔合線位置顯示由孔洞與孔洞連接而產生的蠕變裂紋。根據能譜儀的測試結果顯示，奧氏體金屬材料管側與合金金屬管的熔合線位置存在富碳層，進而表明焊接的接頭位置在高溫下發生了碳遷移，并形成了富碳層。

3 結論

綜上分析可知，焊接的接頭位置沿合金管側的熔合線出現明顯脆性斷裂，焊接位置的接頭由于長期處于高溫環境下工作，產生了碳擴散及遷移的現象，由此造成合金金屬管側的熔合線位置集結大量碳化物，并沿晶界予以分布，形成了微觀蠕變的裂紋，降低了強度及韌性。同時，兩種不同金屬材質的膨脹系數存在較大的差異，導致高溫環境下產生大量熱應力，造成異種金屬焊接接頭在熱應力及高溫蒸汽壓力作用下產生斷裂。

為了減少同類問題的發生，建議通過割管的方式對使用中的異種金屬管接頭位置進行定期現場抽查。例如，顯微組織及蠕變的檢查，及時更換有問題的再熱器管，減少安裝現場異種金屬的焊接工作量，選擇制造車間進行焊接，并在焊接后加以高溫回火處理，以此提高焊接接頭性能。