塔式炉T92与HR3C焊接接头初期服役时开裂原因分析

0引言

超临界和超(超)临界锅炉高温受热面大量使用super304H (S30432)、TP347H、HR3C (TP310HCbN)等奥氏体不锈钢,而锅炉集箱则基本使用P91、P92两种马氏体钢材质^[1]。奥氏体不锈钢受热面钢管与集箱以角焊缝方式焊接连接有一定难度,锅炉厂均设计与集箱同材质短接管进行过渡后与奥氏体不锈钢钢管异种钢焊接连接,因此超临界和超(超)临界锅炉受热面有大量异种钢焊接接头^[2]。

奥氏体与铁素体钢性能差异偏大,在异种钢焊接类别中相对难度偏大,行业内多位学者对此开展了研究。刘俊建等^[3]通过系统实验发现,采用ERNiCr—3和ERNiCrMo—3两种镍基焊丝焊接T92与TP310HCbN异种钢焊接接头,在T92侧热影响区均形成粗大组织,进行焊后热处理,有助于改善焊接接头的综合力学性能。赵雷等^[4]的研究表明铁素体与奥氏体钢异种钢焊接接头冲击韧性随坡口角度增大而先增大后减小,并在35°时达到最高。刘军^[5]的研究指出,T91与HR3C异种钢焊接,不当的焊接工艺导致T91钢侧热影响区晶粒粗化,过大的残余应力会导致焊接接头开裂。李新梅等^[6]研究发现,T92与HR3C异种钢焊接接头在T92侧熔合线处会析出M23C6。也有学者跟踪研究了奥氏体与铁素体钢异种钢焊接接头服役后组织和性能的变化,其中关月等^[7]和王闯等^[8]研究了长期高温服役的T92与HR3C异种钢焊接接头组织和性能的变化,发现了T92侧钢随着服役时长增加会发生

韧性降低、脆性升高现象;徐开等^[9]研究发现服役约6万h后的T92与TP310HCbN异种钢焊接接头T92侧热影响区硬度会增加,给出需要加强金属监督的建议。

行业内鲜见燃煤锅炉168 h试运期间多支T92与HR3C异种钢焊接接头在熔合线处开裂的报道和分析文献,本文针对某台塔式锅炉168 h试运期间多支T92与HR3C异种钢焊接接头开裂的缺陷进行分析,分析结果可为目前如火如荼的火电建设提供一定的借鉴。

1 事件概况

某塔式锅炉在机组168 h试运期间,锅炉过热器和再热器多支T92与HR3C异种钢焊接接头(以下简称“异种钢接头”)发生开裂,其中再热器3支焊接接头裂纹己贯穿。机组停运后对泄漏的再热器异种钢接头进行检查,发现开裂泄漏的裂纹均在异种钢接头T92钢侧熔合线上。纵向切开开裂的异种钢接头,发现钢管外壁裂纹张口比内壁大,判断裂纹是从钢管外壁往内壁扩展。对锅炉过热器和再热器异种钢接头进行100%表面渗透检测,发现三级过热器和二级再热器分别有5支和63支异种钢接头有裂纹显示。两个部件68条裂纹均位于异种钢接头T92钢侧,且都位于水平布置钢管的顶部,锅炉热态受拉应力侧,而钢管底部受压应力侧未发现有裂纹显示。二级再热器和三级过热器开裂异种钢接头照片如图1所示。

2 试验情况

2.1 宏观和无损检测

为避免贯穿性裂纹引发的蒸汽泄漏对缺陷原因分析造成干扰,针对开裂但未贯穿的三级过热器T92与HR3C异种钢接头(规格φ51× 12 mm)开展失效分析。进行渗透检测,裂纹出现在异种钢接头T92侧的熔合线附近,裂纹较细,沿圆周方向扩展,其总长约为钢管周长的50%;裂纹附近钢管外表面无明显塑性变形和氧化现象。

2.2化学成分分析

查阅锅炉厂三级过热器T92与HR3C异种钢接头焊接工艺卡,系采用全氩焊接,施焊过程中钢管内部冲氩保护,焊材选用ERNiCr—3,焊前150℃预热,层间温度按照不大于150℃控制,焊后热处理温度为755℃ ,保温时间1.5 h。分别对异种钢接头两端母材和焊缝熔合区进行成分分析,结果如表1所示,所检钢管和焊缝化学成分均满足ASMESA—213标准和《伯乐焊接材料简介》要求。

2.3 力学性能试验

在异种钢接头上取拉伸试验、硬度检测试验和冲击试验,根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》、GB/T 4340.1—2024《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》和GB/T229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》开展试验,其中冲击试样“V”型缺 口分别开在熔合区和T92侧热影响区,试验数据如表2所示。结果如下:T92侧母材硬度正常,T92侧热影响区硬度比母材偏高约HV93;在T92侧熔合区和热影响区开“V”型缺口冲击试样冲击吸收能量,均大于参考T92同种钢焊接接头冲击吸收功41 J;拉伸试样断于T92侧熔合线附近,其中抗拉强度分别比T92和HR3C母材低9 MPa和44 MPa,拉伸试验的结果不满足DL/T868—2014《焊接工艺评定规程》中对异种钢接头抗拉强度不得低于其中抗拉强度低的母材最小值的要求。

2.4 金相检验

宏观检查和渗透检测发现本次异种钢接头裂纹发生较规律,均在异种钢接头T92侧熔合线附近,因此本次金相分析主要在T92侧开展。按图2所示部位切取裂纹一端试样,依据GB/T13298—2015《金属显微组织检验方法》进行打磨、抛光和浸蚀后,采用金相显微镜观察金相组织,浸蚀后裂纹处宏观照片如图2所示。从图2可看出,裂纹起源于异种钢接头T92侧热影响区熔合线附近,且沿着熔合线向两侧延伸,其中一个裂纹尖端延伸至T92侧的热影响区。

对裂纹尖裂纹中部进行观察,结果如下:发现裂纹尖端呈离散微裂纹,裂纹不连续,放大后发现裂纹虽有明显主要扩展方向,但裂纹并不具备明显沿晶界开裂裂纹的特征,观察区域除裂纹外未发现异常组织,如图3所示。

对异种钢接头T92侧母材和熔合线附近组织进行观察,结果如下:T92侧母材金相组织回火为马氏体,正常金相组织,未发现其他异常组织,如图4所示;熔合线附近金相组织为粗大贝氏体+少量δ铁素体+马氏体,如图5所示;在熔合线上观察到组织缺陷,金相显微镜下为一些向焊缝中延伸的楔形异常延伸组织,在金相制样浸蚀过程中极易被浸蚀,如图6所示。

2.5 电镜观察及能谱分析

使用电镜观察异种钢接头熔合线处组织,可见熔合线处明显分布有颗粒状物质,颗粒状物质有阻断两侧金属完全熔合的迹象。对颗粒物质进行能谱分析,主要成分为Cr、Fe、C,推断其为Cr23C6、Fe23C6等的M23C6相,形貌和能谱分析结果如图7所示。

3 分析和讨论

理化检验结果表明,异种钢接头母材化学成分满足标准要求,填充焊材与焊接工艺卡中要求的焊材相符,未错用管材和焊材;从本次试验检测结果看,T92钢母材硬度满足标准要求,热影响区硬度虽无相关标准规定,但T92钢侧热影响区硬度比T92钢母材高HV93,高出比例达41%,硬度偏高必然会导致韧性降低,这与热影响区组织粗大相关;热影响区和熔合区开“V”型缺 口的冲击试样冲击吸收功都满足标准要求;常温拉伸试验得到的抗拉强度低于异种钢接头两侧母材中抗拉强度低者,结果不合格,且断于T92侧熔合线附近,这与熔合线发现异常组织有关。

组织检验和能谱分析结果表明,T92钢母材组织满足标准要求,热影响区存在粗大组织;金相显微镜观察到裂纹尖端呈离散微裂纹,裂纹不连续,裂纹虽有明显主要扩展方向,但裂纹并不具备明显沿晶界开裂裂纹的特征;金相检验观察到T92钢侧熔合线上存在向焊接接头熔合区延伸的楔形异常组织,异常组织在电镜下观察有阻断两侧金属完全熔合的迹象,异常组织中的颗粒物质经过能谱分析为M23C6相。靳达等^[10]在研究T92与HR3C异种钢焊接接头时,采用EDS和衍射花样分析确定异种钢焊接接头在T92侧熔合线处会析出M23C6相,且会造成组织不连续,影响焊接接头力学性能,析出M23C6相数量基本与焊接线能量成正比。刘广慧等^[11]在研究T92与HR3C异种钢焊接接头时,发现热处理之后焊接接头由于组织更加均匀和细化,其冲击韧性值较热处理前提高了49.7 J,提升效果明显。本次失效的异种钢接头焊后未进行热处理,必然会造成韧性不足,T92钢侧熔合线发现的楔形异常M23C6相与靳达等^[10]的研究结果基本一致,推测本次批量开裂的焊接接头焊接时存在焊接线能量偏大的情况。姚赞新^[12]总结了塔式锅炉初期服役时因焊接接头尺寸异常,在较大锅炉膨胀变形下焊接接头拉裂甚至断裂的缺陷。高巍^[13]采用有限元模拟T92与HR3C异种钢焊接接头应力分布,发现最大等效应力的位置在T92钢侧熔合线处。本次塔式锅炉异种钢接头发生开裂受力与姚赞新[12]总结的受力基本一致,也与高巍^[13]模拟的结果一致。

综上,本次初期服役塔式锅炉T92与HR3C异种钢焊接接头批量开裂原因为:焊接接头焊接过程中线能量偏大,T92钢侧熔合线处生成了以M23C6相为主的楔形异常组织,对熔合线连续性产生不良影响;焊后未热处理的焊接接头韧性不佳;锅炉初期服役的应力促使组织异常处萌生了裂纹,裂纹随应力变化而扩展,最终贯穿泄漏。

4 总结及建议

通过本次对初期服役锅炉异种钢接头批量开裂的缺陷进行分析,认为焊接质量是电力建设质量管控的重点,特别是随着锅炉参数的不断提高,货期要求不断提升,更应重点管控焊接质量。对此提出以下几点建议供参考:

1)溯源该锅炉制造过程中T92与HR3C异种钢接头焊接记录,确定开裂的接头是否出自部分或是个别焊工;在T92钢侧采取现场金相检验的方式,排除未开裂的焊接接头熔合线处是否存在类似异常组织。

2)奥氏体与铁素体异种钢焊接过程需重点把控焊接线能量,避免焊接线能量过大导致焊接接头产生不良组织影响其性能;“V”型坡口可以按照DL/T869—2021《火力发电厂焊接技术规程》中单边“V”型坡口的上限35O进行开设,施焊过程采取多层多道焊降低层间温度,由此降低焊接线能量。

3)锅炉启停、变负荷按照锅炉说明书中烟温和汽温允许变化值的下限进行控制,以此降低膨胀速率产生的应力变化速率。

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《机电信息》2025年第14期第19篇