塔式爐T92與HR3C焊接接頭初期服役時(shí)開裂原因分析

中圖分類號：TG407 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）14-0073-05

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.019

0 引言

超臨界和超（超）臨界鍋爐高溫受熱面大量使用Super304H（S30432）、TP347H、HR3C（TP310HCbN）等奧氏體不銹鋼，而鍋爐集箱則基本使用P91、P92兩種馬氏體鋼材質(zhì)[。奧氏體不銹鋼受熱面鋼管與集箱以角焊縫方式焊接連接有一定難度，鍋爐廠均設(shè)計(jì)與集箱同材質(zhì)短接管進(jìn)行過渡后與奧氏體不銹鋼鋼管異種鋼焊接連接，因此超臨界和超（超）臨界鍋爐受熱面有大量異種鋼焊接接頭[2]。

奧氏體與鐵素體鋼性能差異偏大，在異種鋼焊接類別中相對難度偏大，行業(yè)內(nèi)多位學(xué)者對此開展了研究。劉俊建等[3通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用ERNiCr-3和ERNiCrMo-3兩種鎳基焊絲焊接T92與TP310HCbN異種鋼焊接接頭，在T92側(cè)熱影響區(qū)均形成粗大組織，進(jìn)行焊后熱處理，有助于改善焊接接頭的綜合力學(xué)性能。趙雷等4的研究表明鐵素體與奧氏體鋼異種鋼焊接接頭沖擊韌性隨坡口角度增大而先增大后減小，并在 35^° 時(shí)達(dá)到最高。劉軍[5]的研究指出，T91與HR3C異種鋼焊接，不當(dāng)?shù)暮附庸に噷?dǎo)致T91鋼側(cè)熱影響區(qū)晶粒粗化，過大的殘余應(yīng)力會導(dǎo)致焊接接頭開裂。李新梅等[研究發(fā)現(xiàn)，T92與HR3C異種鋼焊接接頭在T92側(cè)熔合線處會析出 M₂₃C₆ 。也有學(xué)者跟蹤研究了奧氏體與鐵素體鋼異種鋼焊接接頭服役后組織和性能的變化，其中關(guān)月等和王闖等8研究了長期高溫服役的T92與HR3C異種鋼焊接接頭組織和性能的變化，發(fā)現(xiàn)了T92側(cè)鋼隨著服役時(shí)長增加會發(fā)生韌性降低、脆性升高現(xiàn)象；徐開等研究發(fā)現(xiàn)服役約6萬h后的T92與TP310HCbN異種鋼焊接接頭T92側(cè)熱影響區(qū)硬度會增加，給出需要加強(qiáng)金屬監(jiān)督的建議。

行業(yè)內(nèi)鮮見燃煤鍋爐168h試運(yùn)期間多支T92與HR3C異種鋼焊接接頭在熔合線處開裂的報(bào)道和分析文獻(xiàn)，本文針對某臺塔式鍋爐168h試運(yùn)期間多支T92與HR3C異種鋼焊接接頭開裂的缺陷進(jìn)行分析，分析結(jié)果可為目前如火如茶的火電建設(shè)提供一定的借鑒。

1 事件概況

某塔式鍋爐在機(jī)組168h試運(yùn)期間，鍋爐過熱器和再熱器多支T92與HR3C異種鋼焊接接頭（以下簡稱“異種鋼接頭\"發(fā)生開裂，其中再熱器3支焊接接頭裂紋已貫穿。機(jī)組停運(yùn)后對泄漏的再熱器異種鋼接頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)開裂泄漏的裂紋均在異種鋼接頭T92鋼側(cè)熔合線上。縱向切開開裂的異種鋼接頭，發(fā)現(xiàn)鋼管外壁裂紋張口比內(nèi)壁大，判斷裂紋是從鋼管外壁往內(nèi)壁擴(kuò)展。對鍋爐過熱器和再熱器異種鋼接頭進(jìn)行 100% 表面滲透檢測，發(fā)現(xiàn)三級過熱器和二級再熱器分別有5支和63支異種鋼接頭有裂紋顯示。兩個部件68條裂紋均位于異種鋼接頭T92鋼側(cè)，且都位于水平布置鋼管的頂部，鍋爐熱態(tài)受拉應(yīng)力側(cè)，而鋼管底部受壓應(yīng)力側(cè)未發(fā)現(xiàn)有裂紋顯示。二級再熱器和三級過熱器開裂異種鋼接頭照片如圖1所示。

2 試驗(yàn)情況

2.1 宏觀和無損檢測

為避免貫穿性裂紋引發(fā)的蒸汽泄漏對缺陷原因分析造成干擾，針對開裂但未貫穿的三級過熱器T92與HR3C異種鋼接頭（規(guī)格 ?51×12mm） 開展失效分析。進(jìn)行滲透檢測，裂紋出現(xiàn)在異種鋼接頭T92側(cè)的熔合線附近，裂紋較細(xì)，沿圓周方向擴(kuò)展，其總長約為鋼管周長的 50% ；裂紋附近鋼管外表面無明顯塑性變形和氧化現(xiàn)象。

2.2 化學(xué)成分分析

查閱鍋爐廠三級過熱器T92與HR3C異種鋼接頭焊接工藝卡，系采用全氬焊接，施焊過程中鋼管內(nèi)部沖氬保護(hù)，焊材選用ERNiCr-3，焊前 150°C 預(yù)熱，層間溫度按照不大于 150°C 控制，焊后熱處理溫度為755°C ，保溫時(shí)間 1.5h. 。分別對異種鋼接頭兩端母材和焊縫熔合區(qū)進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所示，所檢鋼管和焊縫化學(xué)成分均滿足ASMESA-213標(biāo)準(zhǔn)和《伯樂焊接材料簡介》要求。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在異種鋼接頭上取拉伸試驗(yàn)、硬度檢測試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，根據(jù)GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T4340.1—2024《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》和GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》開展試驗(yàn)，其中沖擊試樣“V\"型缺口分別開在熔合區(qū)和T92側(cè)熱影響區(qū)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。結(jié)果如下：T92側(cè)母材硬度正常，T92側(cè)熱影響區(qū)硬度比母材偏高約HV93；在T92側(cè)熔合區(qū)和熱影響區(qū)開“V\"型缺口沖擊試樣沖擊吸收能量，均大于參考T92同種鋼焊接接頭沖擊吸收功41J；拉伸試樣斷于T92側(cè)熔合線附近，其中抗拉強(qiáng)度分別比T92和HR3C母材低9MPa和 44MPa ，拉伸試驗(yàn)的結(jié)果不滿足DL/T868—2014《焊接工藝評定規(guī)程》中對異種鋼接頭抗拉強(qiáng)度不得低于其中抗拉強(qiáng)度低的母材最小值的要求。

2.4 金相檢驗(yàn)

宏觀檢查和滲透檢測發(fā)現(xiàn)本次異種鋼接頭裂紋發(fā)生較規(guī)律，均在異種鋼接頭T92側(cè)熔合線附近，因此本次金相分析主要在T92側(cè)開展。按圖2所示部位切取裂紋一端試樣，依據(jù)GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行打磨、拋光和浸蝕后，采用金相顯微鏡觀察金相組織，浸蝕后裂紋處宏觀照片如圖2所示。從圖2可看出，裂紋起源于異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)熔合線附近，且沿著熔合線向兩側(cè)延伸，其中一個裂紋尖端延伸至T92側(cè)的熱影響區(qū)。

對裂紋尖裂紋中部進(jìn)行觀察，結(jié)果如下：發(fā)現(xiàn)裂紋尖端呈離散微裂紋，裂紋不連續(xù)，放大后發(fā)現(xiàn)裂紋雖有明顯主要擴(kuò)展方向，但裂紋并不具備明顯沿晶界開裂裂紋的特征，觀察區(qū)域除裂紋外未發(fā)現(xiàn)異常組織，如圖3所示。

對異種鋼接頭T92側(cè)母材和熔合線附近組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如下：T92側(cè)母材金相組織回火為馬氏體，正常金相組織，未發(fā)現(xiàn)其他異常組織，如圖4所示；熔合線附近金相組織為粗大貝氏體 + 少量8鐵素體+馬氏體，如圖5所示；在熔合線上觀察到組織缺陷，金相顯微鏡下為一些向焊縫中延伸的楔形異常延伸組織，在金相制樣浸蝕過程中極易被浸蝕，如圖6所示。

2.5 電鏡觀察及能譜分析

使用電鏡觀察異種鋼接頭熔合線處組織，可見熔合線處明顯分布有顆粒狀物質(zhì)，顆粒狀物質(zhì)有阻斷兩側(cè)金屬完全熔合的跡象。對顆粒物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，主要成分為Cr、Fe、C，推斷其為 Cr₂₃C₆，F(xiàn)e₂₃C₆"等的 M₂₃C₆"相，形貌和能譜分析結(jié)果如圖7所示。

3 分析和討論

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，異種鋼接頭母材化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，填充焊材與焊接工藝卡中要求的焊材相符，未錯用管材和焊材；從本次試驗(yàn)檢測結(jié)果看，T92鋼母材硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，熱影響區(qū)硬度雖無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但T92鋼側(cè)熱影響區(qū)硬度比T92鋼母材高HV93，高出比例達(dá) 41% ，硬度偏高必然會導(dǎo)致韌性降低，這與熱影響區(qū)組織粗大相關(guān)；熱影響區(qū)和熔合區(qū)開“V\"型缺口的沖擊試樣沖擊吸收功都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；常溫拉伸試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度低于異種鋼接頭兩側(cè)母材中抗拉強(qiáng)度低者，結(jié)果不合格，且斷于T92側(cè)熔合線附近，這與熔合線發(fā)現(xiàn)異常組織有關(guān)。

組織檢驗(yàn)和能譜分析結(jié)果表明，T92鋼母材組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，熱影響區(qū)存在粗大組織；金相顯微鏡觀察到裂紋尖端呈離散微裂紋，裂紋不連續(xù)，裂紋雖有明顯主要擴(kuò)展方向，但裂紋并不具備明顯沿晶界開裂裂紋的特征；金相檢驗(yàn)觀察到T92鋼側(cè)熔合線上存在向焊接接頭熔合區(qū)延伸的楔形異常組織，異常組織在電鏡下觀察有阻斷兩側(cè)金屬完全熔合的跡象，異常組織中的顆粒物質(zhì)經(jīng)過能譜分析為 M₂₃C₆ 相。靳達(dá)等[10]在研究T92與HR3C異種鋼焊接接頭時(shí)，采用EDS和衍射花樣分析確定異種鋼焊接接頭在T92側(cè)熔合線處會析出 M₂₃C₆ 相，且會造成組織不連續(xù)，影響焊接接頭力學(xué)性能，析出 M₂₃C₆ 相數(shù)量基本與焊接線能量成正比。劉廣慧等[]在研究T92與HR3C異種鋼焊接接頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)熱處理之后焊接接頭由于組織更加均勻和細(xì)化，其沖擊韌性值較熱處理前提高了49.7J，提升效果明顯。本次失效的異種鋼接頭焊后未進(jìn)行熱處理，必然會造成韌性不足，T92鋼側(cè)熔合線發(fā)現(xiàn)的楔形異常 M₂₃C₆ 相與靳達(dá)等[10]的研究結(jié)果基本一致，推測本次批量開裂的焊接接頭焊接時(shí)存在焊接線能量偏大的情況。姚贊新[12]總結(jié)了塔式鍋爐初期服役時(shí)因焊接接頭尺寸異常，在較大鍋爐膨脹變形下焊接接頭拉裂甚至斷裂的缺陷。高巍[3采用有限元模擬T92與HR3C異種鋼焊接接頭應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)最大等效應(yīng)力的位置在T92鋼側(cè)熔合線處。本次塔式鍋爐異種鋼接頭發(fā)生開裂受力與姚贊新[12]總結(jié)的受力基本一致，也與高巍[13]模擬的結(jié)果一致。

綜上，本次初期服役塔式鍋爐T92與HR3C異種鋼焊接接頭批量開裂原因?yàn)椋汉附咏宇^焊接過程中線能量偏大，T92鋼側(cè)熔合線處生成了以 M₂₃C₆ 相為主的楔形異常組織，對熔合線連續(xù)性產(chǎn)生不良影響；焊后未熱處理的焊接接頭韌性不佳；鍋爐初期服役的應(yīng)力促使組織異常處萌生了裂紋，裂紋隨應(yīng)力變化而擴(kuò)展，最終貫穿泄漏。

4 總結(jié)及建議

通過本次對初期服役鍋爐異種鋼接頭批量開裂的缺陷進(jìn)行分析，認(rèn)為焊接質(zhì)量是電力建設(shè)質(zhì)量管控的重點(diǎn)，特別是隨著鍋爐參數(shù)的不斷提高，貨期要求不斷提升，更應(yīng)重點(diǎn)管控焊接質(zhì)量。對此提出以下幾點(diǎn)建議供參考：

1）溯源該鍋爐制造過程中T92與HR3C異種鋼接頭焊接記錄，確定開裂的接頭是否出自部分或是個別焊工；在T92鋼側(cè)采取現(xiàn)場金相檢驗(yàn)的方式，排除未開裂的焊接接頭熔合線處是否存在類似異常組織。

②奧氏體與鐵素體異種鋼焊接過程需重點(diǎn)把控焊接線能量，避免焊接線能量過大導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生不良組織影響其性能；“V\"型坡口可以按照DL/T869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中單邊“V\"型坡口的上限 35^° 進(jìn)行開設(shè)，施焊過程采取多層多道焊降低層間溫度，由此降低焊接線能量。

3鍋爐啟停、變負(fù)荷按照鍋爐說明書中煙溫和汽溫允許變化值的下限進(jìn)行控制，以此降低膨脹速率產(chǎn)生的應(yīng)力變化速率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉磊，王庭文，劉永鵬，等.電廠屏式過熱器彎頭開裂原因失效分析[J].寧夏電力，2020（6）：57-62

[2]陳瀚.超臨界、超超臨界鍋爐用鋼[J].中國金屬通報(bào)，2019（1）：226.

[3]劉俊建，陳國宏，余新海，等.T92/HR3C異種鋼焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能［J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（2）：54-60.

[4]趙雷，喬漢文，梁軍，等.焊接參數(shù)對T92/S30432異種鋼焊接接頭室溫力學(xué)性能的影響[J].機(jī)械工程材料，2015，39（1）：32-38.