600MW机组T91焊口裂纹分析

600MW机组T91焊口裂纹分析

任来志

任来志（黑龙江省火电第三工程公司试验室）

摘要：通过对600MW发电机组三级过热器SA213-T91管子焊接热影响区出现的裂纹进行宏观及微观分析，阐述了T91的组织和机械性能、使用条件及焊接裂纹的产生机理，提出T91小管在焊接、热处理及使用中应注意的几个问题，充分了解了它的优、缺点。

关键词：三级过热器T91焊缝微裂纹

1概述

随着发电机组向高参数、大容量发展，对材料的性能要求也越来越高，许多新材料因此应运而生，T91自1983年问世以来以它优越的耐高温性能已广泛应用在300MW以上机组中，但这种材料在使用中也有它的局限性，现在以某电厂三级过热器T91管子出现的焊接裂纹为例说明该材质的焊接、热处理及使用性能，裂纹管子规格φ48.6×7.4，材质为SA213-T91，焊接材料CM-9cb，在试运中发现裂纹。

2裂纹的宏观形貌

2.1裂纹沿焊缝边缘熔合线附近延伸，无明显的支叉，长度达1/3周；

2.2裂纹局部有颜色变化说明有工质泄露，管子纵切面显示裂纹已贯穿管壁内外；

2.3裂纹中间位置宽度最大达28μm，可以判断是裂纹的最初发生点，位于背火侧中间外壁的位置上，是RT检验的死区位置；

2.4母材及焊缝表面无其它缺陷，裂纹处内外表面无壁厚减薄和氧化等情形发生，以此大致判断为脆性裂纹。

3裂纹的微观组织

3.1表面组织

3.1.1母材组织为回火马氏体,属于正常组织；

3.1.2主裂纹附近有很多枝杈微裂纹，沿晶开裂，同时在主裂纹边缘上存在一些与之平行但未相交的微裂纹，这说明热影响区存在一定的疲劳损伤且受纵向力的作用；

3.1.3焊缝组织比较粗大，有焊接线能量太大，过热现象存在；可见残余奥氏体上分布着大量的板条马氏体，这又说明在过热后又伴随着快速冷却，而且在Ms点以下冷却速度过快，使得奥氏体不能完全转化为回火马氏体而出现板条马氏体使组织脆化。

3.2切面组织

3.2.1切面母材组织同表面组织相同为正常供货组织；

3.2.2裂纹在接近管子外壁处的形态，左侧为管子外壁，可见裂纹在接近外表面处有分叉现象，而且贯穿焊缝，这与3.1.2的现象是吻合的只是观察面互相垂直；

3.2.3裂纹贯穿管壁，裂纹平均宽度在19μm，两侧存在大量的Ac1-Ac3之间不完全相变产物黄块马氏体，右侧为内壁，裂纹走向较直，完全沿焊接熔合线把管子上下分开；

3.2.4焊缝粗大组织，可见存在大量残余奥氏体，还伴有板条马氏体，这说明焊缝内部同样降温很快。

4裂纹的定性

从上面列举的照片及断裂时间综合考虑，此裂纹可以定性为正断解理型裂纹，是冷裂纹，因为焊缝组织过于粗大说明此处曾严重超温，母材组织均匀细小，而且组织正常，所以不是运行和热处理造成的过热，此裂纹形成的根源是焊接过程，主要是因为焊接线能量过大，使热影响区组织产生一定的疲劳损伤，裂纹周围有黄块马氏体，焊缝组织中存在残余奥氏体并伴有板条马氏体这充分说明了焊缝曾经在MS线以上高于临界速度冷却，而导致了脆性组织产生，这也说明了此焊口没有按正确的热处理工艺升降温速度去处理。由于马氏体体积膨胀产生很大组织应力，使硬度明显升高、塑性和韧性明显下降的热影响区产生了微观裂纹，再加上运行中的高温和高压使微裂纹得以扩展直至管子破坏。

5裂纹的形成

裂纹的产生与材料本身因素、外界环境因素、人为因素等每个环节都密不可分。

5.1材料因素SA213-T91钢的主要化学成分见下表：

5.1.1计算马氏体转变温度点

Ms(单位为℃)

=533-317ωc-33ωMn-28ωCr-17ωNi-11ωSi-11ωMo-11ωW

=533-317×0.10-33×0.45-28×8.75-17×0.20-11×0.35-11×0.95-11×0=223.75℃

5.1.2根据Ms点及T91冷却曲线绘制T91钢的连续冷却转变曲线：通过连续冷却曲线可知T91的临界冷却速度小，很容易生成马氏体组织，如果在Ms与Mf之间停留时间较短，就会得到过脆硬的马氏体和残余奥氏体；这说明其材料本身决定了其热处理工艺及组织性能，事实证明如果Ms点低于300℃或者Mf点低于260℃在焊接冷却过程中最易产生冷裂纹，而这两个弱点T91全具备；

5.1.3SA213-T91钢的焊接性能钢的焊接性能通常采用碳当量[C]来衡量，在0.4以下说明钢具有好的焊接性能，否则钢的焊接性能就很差，根据经验公式计算如下：[C]=ωc+ωMn/6+ωCr/5+ωMo/4+ωNi/15+ωSi/24+ωCu/13+ωp/2=0.10+0.45/6+8.75/5+0.95/4+0.20/15+0.35/24+0+0.01/2=2.195

可以明显看出这个结果远大于0.4，说明它的焊接性能极差，易出现冷裂纹。

5.2环境因素温度影响SA213-T91的许用应力，T91钢的许用应力与温度关系曲线见图13所示，可以看出当温度超过400℃时，T91钢的许用应力降低较快，特别在550℃以上时随温度的升高，许用应力明显降低。

5.3设计因素影响管子的许用载荷这主要取决于管子的外径与内径之比β，根据经验公式

P许用载荷=σ许用应力×lnβ

根据此例中的管子规格φ48.6×7.4，可以计算出

lnβ=ln=0.363

根据此结果可以看出许用载荷比许用应力低的更多，一旦存在过大的应力集中就可能造成材料的局部损伤。

5.4人为因素

5.4.1焊接人为因素在焊接过程中，由于电流过小，使填充材料不能与被焊材料充分熔合，造成未焊透或未熔合，这是先天微裂纹的根源；如果焊接线能量过大，焊接速度偏慢，又会使焊缝及热影响区过热，使焊缝结晶组织粗大，使热影响区的组织明显劣化，许用应力将大大降低；

5.4.2焊后热处理因素焊后热处理也是一个值得重视的问题，如果没有及时进行热处理，或者加热温度不够、恒温时间过短、升降温速度过快都会使组织不能完全正确转变，且在降温速度过快的情况下易出现脆性组织；同样道理加热时间过长或者超温处理都会使组织性能变得低下，同样是危险的根源。

5.4.3对缺陷的处理方法因素在对超标缺陷进行返修时没有充分预热和热处理，使返修处存在残余应力。

就是因为上面诸多因素的联合作用，使这坚不可摧的钢管也变得脆弱了，以致产生微观裂纹进而在各种力的作用下促使其继续扩展。

6裂纹的防范措施

6.1严格控制焊接工艺避免产生裂纹

6.1.1对于T91钢焊前要进行现场焊接工艺评定，一般情况下要先预热至100~150℃进行氩弧打底，打底完毕后要继续生温至250~350℃后开始焊接；

6.1.2焊接过程中要控制焊接线能量，防止过热和未熔合现象发生，因为T91钢的焊接热影响区性能的劣化程度随焊接线能量的增加而加剧，所以在1100℃以上停留时间要短，从而降低晶粒的粗化程度，同时也要保证层间温度在300~350℃之间；

6.1.3要正确选用焊接材料，对于T91钢来说要使用烘干的低氢型碱性焊条；

6.1.4提高焊工的理论和实际水平，尽量减少一切焊接缺陷的发生；

6.1.5焊后要注意保温，防止焊口过速冷却，产生脆硬组织，影响焊接质量，为了防止冷裂纹的出现最好在焊后及时进行热处理，而且要严格控制热处理升降温速度以≤150℃/小时为宜，恒温温度为750℃±10℃，恒温时间按壁厚每25mm为1小时计算，且不小于1小时。保证正常组织的均匀形成，成型的热处理工艺曲线如图19所示，当焊接接头冷却至120℃时如果不能立即进行热处理，应做加热至350℃、恒温1个小时的后热处理。

6.2正确采用检测方法不放过裂纹无损探伤在条件许可时尽量采用多种方法进行检验，减少漏检范围，及早发现隐藏的危险性缺陷。

综上所述一种缺陷的产生是受多方面因素共同影响的，包括冶金、焊接、检测、热处理、使用环境等诸多因素的共同作用，所以要全面分析，综合防范，消除一切可能的隐患，控制好每一个环节，排除一切不利的干扰因素，全面增强制造、安装、运行人员的综合素质及责任心，这也是保证机组正常运转的必要而基础的条件。