高溫過熱器TP347H鋼管焊接接頭開裂原因

譚曉蒙, 陳 浩, 喬 欣, 郭心愛

[內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司, 呼和浩特 010020]

某電站鍋爐高溫過熱器TP347H鋼管在供暖期間連續(xù)發(fā)生開裂爆漏事故，嚴(yán)重影響到該電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及供暖要求。該高溫過熱器鋼管首先開裂于定位塊與管壁焊接接頭處，鋼管規(guī)格(外徑×壁厚)為57 mm×4.0 mm。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對高溫過熱器TP347H不銹鋼管焊接接頭開裂爆漏的性質(zhì)及原因進(jìn)行分析，為今后TP347H鋼管的焊接工藝以及質(zhì)量驗(yàn)收提供相應(yīng)理論參考，從而避免類似事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂爆漏高溫過熱器TP347H鋼管宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：爆漏高溫過熱器鋼管沿定位塊端部焊縫開裂，并斷裂成兩段，斷面旁有第二爆口，爆口周邊管壁明顯減薄，判斷為蒸汽介質(zhì)泄漏導(dǎo)致的管壁磨損爆漏，非初始爆口；鋼管定位塊與管壁焊接接頭過渡處較為尖銳，斷面上半部分呈黑紅色，為開裂后斷面氧化所致，下半部分的斷面呈金屬光亮色，為取樣時新斷斷面；斷面放射狀花紋收斂于斷裂源處，斷裂源位于定位塊焊縫邊緣，裂紋沿焊縫與管壁交接處延伸擴(kuò)展。排查焊接有定位塊的高溫過熱器管，發(fā)現(xiàn)定位塊焊縫邊緣軸向裂紋沿焊縫邊緣擴(kuò)展。

圖1 開裂爆漏高溫過熱器TP347H鋼管宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對爆漏高溫過熱器TP347H鋼管進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見各元素含量均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求。

表1 爆漏高溫過熱器TP347H鋼管化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 金相檢驗(yàn)

從高溫過熱器TP347H鋼管定位塊焊縫處沿軸向取樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋，并使用三氯化鐵鹽酸水溶液腐蝕后，用光學(xué)顯微鏡對其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：開裂管段斷裂面處主裂紋旁存在數(shù)條平行裂紋，裂紋沿晶間開裂；管外壁裂紋較寬，隨著裂紋向內(nèi)壁不斷延伸，裂紋逐漸變細(xì)；斷面主裂紋邊奧氏體晶粒內(nèi)有較多滑移線與孿晶界，這些滑移線表明開裂處管段有較大殘余應(yīng)力；管壁組織為單相奧氏體+析出相。

圖2 裂紋處顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡(SEM)分析

使用掃描電子顯微鏡對裂紋進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3a)所示。由圖3a)可知：裂紋初始區(qū)域?qū)挾容^寬，達(dá)到100 μm左右，裂紋兩端存在較厚的覆蓋層，使用能譜儀對覆蓋層進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3b)所示，覆蓋層主要化學(xué)元素為鐵和氧，即覆蓋層主要為鐵的氧化物，為運(yùn)行中在裂紋內(nèi)生成的氧化腐蝕產(chǎn)物，可見其為陳舊裂紋。隨著裂紋不斷向內(nèi)壁延伸，裂紋末端區(qū)域變得曲折且細(xì)窄，裂紋旁有與主裂紋不連通的獨(dú)立沿晶微裂紋，沿晶微裂紋并不是由外壁延伸而來[見圖3c)]。

圖3 裂紋處SEM形貌及其能譜分析結(jié)果

晶界附近碳化物SEM形貌及其能譜分析位置如圖4所示，能譜分析結(jié)果如表2所示。由圖4可知：在遠(yuǎn)離定位塊焊縫處晶界上的碳化物主要為塊狀及細(xì)小球狀，其主要組成元素為Nb、C，應(yīng)為Nb、C、N元素的化合物，這些析出相顆粒尺寸小且穩(wěn)定，彌散地分布在晶內(nèi)和晶界上，對材料的塑性和韌性損害較小[1-2]。在焊接接頭熱影響區(qū)和裂紋附近均可以觀察到短棒狀和連續(xù)顆粒狀析出相，其成分主要元素為Cr、Fe，應(yīng)為M23C6(M為Cr、Fe)，M23C6主要優(yōu)先在晶界上析出并聚集長大，會影響到材料的韌性[3-5]。

圖4 晶界附近碳化物SEM形貌及其能譜分析位置

表2 晶界附近碳化物能譜分析結(jié)果 %

1.5 力學(xué)性能測試

對高溫過熱器TP347H鋼管進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表3所示，可見其力學(xué)性能均符合GB/T 5310—2017的要求。

表3 開裂高溫過熱器TP347H鋼管力學(xué)性能測試結(jié)果

1.6 雙環(huán)電化學(xué)動電位再活化法(DL-EPR)試驗(yàn)

對開裂的TP347H鋼管取樣并進(jìn)行DL-EPR試驗(yàn),檢測其晶間腐蝕敏感性，在鋼管管壁上使用線切割方式切取試樣，試樣工作面積為1 cm2，依據(jù)GB/T 29088—2012 《金屬和合金的腐蝕 雙環(huán)電化學(xué)動電位再活化測量方法》，在PINE WaveDriver 200型電化學(xué)工作站上進(jìn)行DL-EPR試驗(yàn)，使用三電極系統(tǒng)，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑網(wǎng)電極，試驗(yàn)溶液為0.50 mol/L H2SO4+0.01 mol/L KSCN，試驗(yàn)時由-400 mV掃描至600 mV，再由600 mV反掃描至-400 mV，掃描速率為1.67 mV/s。試驗(yàn)結(jié)束后,將試樣用酒精擦拭干凈,再使用SEM觀察其形貌，DL-EPR試驗(yàn)結(jié)果及試樣的SEM形貌如圖5所示，可見試樣再活化率為3.8%，表明試樣有輕微晶間腐蝕傾向，其SEM形貌無明顯腐蝕溝槽，僅能觀察到少量腐蝕孔洞，這些腐蝕孔洞獨(dú)立分布并未相連。

圖5 DL-EPR試驗(yàn)結(jié)果及試樣的SEM形貌

2 綜合分析

TP347H為奧氏體不銹鋼，元素Nb會優(yōu)先與C元素結(jié)合成為NbC，NbN的析出相，該析出相顆粒尺寸細(xì)小，彌散地分布在晶內(nèi)，能彌散強(qiáng)化材料強(qiáng)度。在定位塊焊接過程中，焊接產(chǎn)生的循環(huán)熱會使焊接接頭周邊管材升溫至敏化溫度區(qū)間內(nèi)，促使管壁發(fā)生晶間腐蝕，在晶界上析出M23C6(M為Fe，Cr)型富鉻碳化物，這種沿晶界析出的鉻的碳化物導(dǎo)致其周圍基體中的鉻含量降低，形成“貧鉻區(qū)”[6-7]。這些M23C6析出相會有限析出在晶界上，使晶界產(chǎn)生一定程度的脆化。定位塊焊縫較短，焊接熱輸入也較低，僅能影響到焊接接頭熱影響區(qū)附近管材，鋼管母材未發(fā)生明顯敏化，其再活化率為3.8%，有輕微晶間腐蝕傾向，且斷后伸長率為42%，韌性也未降低[8]。由于定位塊焊接結(jié)束后未進(jìn)行固溶或去應(yīng)力處理，焊接殘余應(yīng)力未得到釋放，且焊接接頭邊緣過渡比較尖銳，易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，因此在應(yīng)力作用下，焊接接頭邊緣應(yīng)力集中區(qū)域沿晶界發(fā)生開裂。

3 結(jié)語

(1) TP347H鋼管定位塊焊接接頭開裂性質(zhì)為晶間型應(yīng)力腐蝕開裂，主要是由于定位塊焊接時產(chǎn)生的循環(huán)熱使熱影響區(qū)管材發(fā)生敏化，焊接后未進(jìn)行固溶處理，從而殘留較大應(yīng)力，在焊接接頭邊緣應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)在焊接接頭收尾處圓滑過渡，避免過渡處過于尖銳引發(fā)的應(yīng)力集中。

(2) 敏化的TP347H鋼會析出短棒狀和連續(xù)顆粒狀的M23C6型析出相，析出相優(yōu)先在晶界處析出并聚集長大，這會使晶界脆化，繼而在應(yīng)力作用下引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂。因此，在TP347H鋼管焊接后應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理，對于TP347H鋼管來說，一般要加熱至850～930 ℃保溫，這時M23C6析出相會全部溶解，而穩(wěn)定化元素Ti，Nb與C結(jié)合形成碳化物，可有效地消除晶間腐蝕，從而避免引起開裂[9]。