火電站用T23/TP316H異種金屬焊接接頭服役損傷分析

丁永三 魯立 朱紅彬 徐建明 張禹 李克儉

摘要：通過試驗研究分析了服役后的高溫蒸汽管道中T23/TP316H異種金屬焊接接頭的微觀組織、成分和氧化情況。結果表明，在540 ℃/17 MPa條件下服役10 萬h后，TP316H鋼側雖會被氧化，但未發現明顯的會導致接頭早期失效的潛在危險因素;T23鋼側會出現沿焊縫/熱影響區界面的氧化，并出現了沿界面的開裂。T23鋼與鎳基焊縫金屬的界面氧化損傷與界面兩側熱膨脹系數、高溫蠕變強度差異及界面附近的硬度梯度耦合后，很可能誘發界面失效，增加接頭早期失效風險。與此同時，T23鋼側未發現蠕變、碳遷移軟區等常見的界面失效弱化因素，所以界面氧化損傷是T23/TP36H異種金屬焊接接頭的主要損傷模式。

關鍵詞：異種金屬焊接接頭;高溫服役;蠕變;氧化;硬度;化學成分

中圖分類號：TG401? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）03-0059-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.11

0? ? 前言

鐵素體類耐熱鋼和奧氏體不銹鋼被廣泛應用于火電站關鍵構件的制造[1-3]。對整個電站而言，不同位置服役溫度不同，有較高蠕變強度和抗氧化性的奧氏體不銹鋼常被用于高溫段，如過熱器、再熱器管道，而成本較低的鐵素體類耐熱鋼則被用于低溫段，如鍋爐、熱交換器[4]。焊接是工程中連接兩種金屬最常用的工藝，故電站中存在大量用于連接奧氏體不銹鋼和鐵素體類耐熱鋼的異種金屬焊接接頭。制造這類接頭通常使用鎳基合金作為填充材料。焊接快速加熱冷卻導致的組織不均勻性和不同材料的性能差異會不可避免地弱化整個接頭的服役性能，使其極易出現早期失效。有調查表明[5]，電站用異種金屬焊接接頭早期失效會帶來850 000美元/天的經濟損失。此外，電站構件早期失效會帶來嚴重的安全問題，故應關注異種金屬焊接接頭的早期失效行為，分析其失效機理，并為接頭的延壽提供指導意見。

上述異種金屬焊接接頭服役過程中奧氏體不銹鋼側通常較為安全，服役壽命主要取決于鐵素體鋼側。鐵素體鋼側的失效位置可為母材、熱影響區、或焊縫金屬與熱影響區的界面。失效于母材時多為塑性斷裂，斷前有縮頸特征;失效于熱影響區或界面會使接頭蠕變強度低于母材，無明顯塑性變形，是一種較為危險的早期失效模式[6]。Ⅳ型裂紋是導致接頭失效于熱影響區的主要原因，抑制Ⅳ型裂紋可以通過向母材中添加微量的硼元素或優化熱處理制度實現[7-8]。但在異種金屬焊接接頭中更為危險的早期失效模式為沿焊縫金屬與熱影響區界面的斷裂，其根本原因是鐵素體類耐熱鋼母材與鎳基焊縫金屬的固有成分差異造成的，通常難以避免;同時接頭的服役條件惡劣，成分、組織、氧化、蠕變等各種因素耦合在一起，給研究此類接頭的界面斷裂行為帶來了極大的挑戰，但也正因為問題的復雜性，關于此問題的研究具有較高的科學與工程價值。文中以某電廠服役約10萬h的T23/TP316H異種金屬焊接接頭的蒸汽管為研究對象，分析了其兩側損傷情況及服役后的組織，并提出了接頭的損傷機理，可為火電站異種金屬焊接接頭服役安全性、壽命延長提供指導意見。

1 試驗材料與方法

取樣位置為某電廠600 MW亞臨界機組分隔屏過熱器含異種金屬焊接接頭的蒸汽管處。管規格為φ50 mm×8 mm，正常工況下管內通水蒸汽、管外為煙氣環境。管內蒸汽溫度約為540 ℃、蒸汽壓力17 MPa，服役時長約10萬h。管兩側母材分別為TP316H奧氏體不銹鋼和SA213-T23貝氏體鋼，如圖1所示，化學成分如表1所示。填充材料使用Inconel 82焊材（牌號ERNiCr-3），兩側母材和焊材的拉伸性能如表2所示。接頭制造完成后不進行后續熱處理。

在接頭TP316H鋼側和SA213-T23鋼側分別取試樣進行分析。所有試樣均從400目砂紙磨至2 000目，隨后采用粒度為2.5 μm、0.5 μm的金剛石研磨膏依次對其進行機械拋光。由于母材、焊縫金屬的耐蝕性差異，采用兩步腐蝕法對試樣進行腐蝕以同時獲得兩側形貌。T23鋼側采用3%的硝酸酒精腐蝕，鎳基焊縫側采用10%的CrO3水溶液進行電解腐蝕。隨后在掃描電子顯微鏡下觀察試樣形貌，并用設備附帶能譜對局部區域進行成分分析。經試驗，電解腐蝕可能會使T23鋼側界面附近的碳化物脫落，故用于界面碳化物觀察的試樣僅進行化學腐蝕。為獲得界面附近更為精確的成分變化，采用電子探針定量分析獲取了T23鋼側跨界面成分變化，定量分析點間距4 μm，用于電子探針分析的試樣采用電解拋光制備，電解液為65 mL磷酸+15 mL硫酸、12 mL甘油+3 mL去離子水+5 g CrO3的混合溶液。此外，對試樣進行跨界面維氏硬度測試，所用載荷200 g，保載10 s。

2 試驗結果及討論

2.1 TP316H奧氏體不銹鋼側組織、成分和損傷分析

服役后接頭中TP316H鋼側的組織和成分結果如圖2所示。圖2a為外管壁附近組織，焊縫為典型柱狀晶，熱影響區為等軸奧氏體晶粒。TP316H鋼與焊縫金屬之間并無明顯界面，這可能與二者基體同為面心立方晶體結構有關，焊縫金屬在凝固時以未熔化的TP316H為形核核心外延生長。成分測試點EDX 1處含4.06% w（O），表明外管壁被氧化。雖然管外壁經過打磨未見明顯氧化層，但根據EDX 1結果可推測打磨前外壁存在氧化層。此外，成分測試點EDX 1處含有0.55% w（S），這是外管壁與高溫煙氣接觸所導致的。圖2b為內管壁附近組織，內管壁未經打磨，可見明顯氧化層，根據EDX 2結果知該氧化層為鐵的氧化物。總體來說，雖然此接頭在TP316H鋼側服役后內外壁均被氧化，但未發現任何可能導致接頭早期失效的危險損傷形式，故可認為TP316H鋼側在當前服役條件下較為安全。

2.2 T23鋼側組織和損傷分析

通過掃描電子顯微鏡觀察服役后的接頭中T23鋼側的組織和氧化情況，結果如圖3所示。不同于TP316H鋼側，T23鋼側焊縫金屬與熱影響區間存在一明顯界面，這是此類低合金鋼成分與鎳基82焊材之間巨大的成分差異造成的。特別在外管壁附近發現了沿界面的氧化，如圖3a所示，且在掃描電子顯微鏡下將其放大后發現該氧化物已與界面發生開裂。T23鋼側的外管壁處氧化損傷相對于TP316H鋼側的氧化顯然更為嚴重，隨著服役時間的進一步延長，很可能出現沿界面開裂的早期失效情況。

此外，在界面處發現一排沿界面的碳化物。這種服役后沿界面排列的碳化物被稱為“Ⅰ型碳化物 ”[12]。這些Ⅰ型碳化物是易于形成蠕變空洞的位置，最終可能會因界面蠕變空洞合并成微裂紋導致接頭沿界面失效[13]。但本研究中在界面處Ⅰ型碳化物周圍并未發現任何蠕變空洞，表明在此種服役條件下接頭的蠕變損傷并不顯著，可能并非接頭損傷的主要機制。

2.3 焊縫金屬/T23鋼熱影響區界面附近成分分析

服役后T23鋼側界面附近的冶金、性能變化與界面附近較大的成分梯度有關，故應對界面附近的成分進行更為精確的表征。采用電子探針測得的跨界面成分變化如圖4所示，其中部分混合區是由于焊接過程中熔融的焊縫金屬與熔融的母材未充分混合而形成的，故在該區中成分會從母材成分逐漸過渡到焊縫金屬成分。部分混合區與熱影響區的界面即為掃描電子顯微鏡下觀察到的宏觀界面。從熱影響區穿過界面進入部分混合區存在成分突變，主要體現為Fe含量驟降、Ni含量驟增，Cr含量突增。在540 ℃下，除C元素外其他元素難以發生擴散，同時界面附近主合金元素（Fe、Ni、Cr）的分布對碳擴散的影響至關重要。Cr元素可降低C的化學勢，即高溫下C趨向于從低Cr含量處向高Cr含量處擴散，根據圖4中的Cr含量分布可知，高溫服役過程中C原子會趨向于從T23鋼熱影響區向焊縫遷移。部分混合區主要為面心立方晶體結構的奧氏體基體，C原子在面心立方中的擴散系數較低，故從熱影響區向焊縫金屬遷移的C原子會在界面處聚集，當C含量超過基體的最大溶解度后，就會以碳化物的形式析出，形成圖3b中所示的Ⅰ型碳化物。

Ⅰ型碳化物為富Cr的M23C6或M6C，故沿焊縫金屬/T23鋼熱影響區界面析出I型碳化物后意味著界面附近基體中固溶的Cr含量下降，從而促進氧化沿界面發展。氧化物較脆，且因其疏松結構導致承載能力較差，在服役條件下由于鎳基焊縫金屬與T23鋼的熱膨脹系數和高溫蠕變強度的差異，會使沿界面的氧化物與焊縫金屬脫離，即產生圖3a放大圖中的裂紋。因此，可認為上述沿界面氧化、開裂的損傷可能是導致接頭沿界面失效的危險因素。

2.4 焊縫金屬/T23鋼熱影響區界面附近硬度分析

服役后接頭T23鋼側的硬度分布如圖5所示。由圖可知，整個T23鋼側的焊縫金屬、熱影響區和母材3個區域硬度有一定的差別。熱影響區硬度較高，這是由于焊后該區形成淬硬組織，而焊后不進行熱處理使得熱影響區的淬硬組織得以保留，故熱影響區硬度較高。此外，此類接頭的常規熱處理溫度約為700℃，故540℃下長時間服役也并不能使該類接頭熱影響區中的淬硬區軟化，因此服役后依然能夠保持較高的硬度。文獻[14]指出抗拉強度、屈服強度與硬度值之間存在如下推算關系：

Rm=3.04HV+11.59? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

ReL=3.39HV-246.02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

根據式（1）、式（2）及硬度值推算得服役后接頭T23鋼側的強度分布，結果表明界面兩側存在較大的強度錯配。

文獻[15]指出，焊縫金屬與母材Cr含量差異較大的接頭在高溫下會發生明顯的碳遷移，在界面附近會產生貧C的軟區，使裂紋容易在該區域擴展，對接頭的安全服役產生威脅。但在本研究中，界面附近未發現軟區，故可認為該接頭中發生的C遷移尚不足以在T23鋼中形成明顯貧C的軟區。前已述服役過程中沿焊縫金屬/T23鋼熱影響區的界面的氧化是威脅該接頭服役安全性的主要損傷形式，焊縫、低合金鋼的熱膨脹系數差異會促進界面失效;同樣，界面附近硬度差異及強度錯配也會增大沿界面失效的可能性。

3 結論

（1）鎳基填充的T23/TP316H異種金屬焊接接頭服役過程中會沿焊縫金屬/T23鋼熱影響區界面發生氧化、開裂，威脅接頭的服役安全性。

（2）鎳基焊縫金屬/T23鋼熱影響區界面處并未發現明顯的蠕變損傷、碳遷移軟區等常見的界面弱化現象，這表明沿界面的氧化是此接頭在當前服役條件下最主要的損傷模式。

（3）接頭中TP316H鋼側服役后也被氧化，但未發現明顯的會導致接頭早期失效的潛在因素，故可認為該側在當前服役條件下較為安全。

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