高温异种钢焊口开裂原因分析

高温异种钢焊口开裂原因分析

刘建洋 ,周起帆 ,师锁锋

陕西华电榆横煤电有限责任公司榆横发电厂 陕西榆林 719000

摘要：由于异种钢焊口T91侧整圈断裂，导致电厂高温过热器发生泄漏，机组紧急停机。因此本文针对焊口T91侧裂纹产生原因进行分析，通过对异种钢样管进行物理化学分析，可知过高的工作温度和较大纵向拉力是影响异种钢焊口发生开裂的主要原因，期望对解决异种钢焊口开裂原因分析提供借鉴。

关键词：高温工作；异种钢；焊口开裂；原因

1.工程概况

某电厂 1#锅炉为东方锅炉生产的DG2141/25.4-Ⅱ6型超临界前后墙对冲燃烧锅炉，2013 年 11 月投运。2021 年 3 月 17 日电厂高温过热器发现泄漏，机组紧急停机，检查发现泄漏位置位于炉左往炉右数第六屏，炉前往炉后数第五根管的异种钢焊口（T91/Φ45×7 mm+TP347H/Φ45×8.5 mm），焊口 T91 侧整圈断裂，泄漏位置介质流向为从下至上，下部为 TP347H，上部为 T91。通过对泄漏样管进行检测分析，期望找出开裂原因以防止此类问题的发生。

2.实验分析

2.1理化实验取样

如图1所示为实验样管，分别在样管的TP347H侧编号为C,在管子的T91侧编号为样管D，首先对样管进行拉伸并在图中“拉伸”的位置进行取样。并在图“1”和“2”位置进行化学、硬度和金相实验。

图1样管宏观整体形貌

2.2化学成分分析

采用直读光谱法进行成分分析，结果如表1所示，检测结果表明样管T91侧和TP347H侧的化学成分均满足ASME SA-213M标准要求。

表1 化学成分（质量分数）%

2.3力学性能检测

根据图1标识在母材位置取环状硬度试样和条状拉伸试样，检测样管的硬度及拉伸性能。样管的拉伸性能检测结果如表2所示，母材的硬度检测结果如表3所示。样管的拉伸性能满足ASME SA-213M标准要求，T91侧和TP347H侧的硬度满足DL/T438标准要求。

表2样管拉伸性能检测结果

表3母材硬度检测结果

2.4金相检验

根据图1标识位置在样管上截取微观金相试样，按GB/T 13298进行检验，检测结果如下：

样管C母材的微观组织为奥氏体，晶粒度S.5-6.5级：可以看到品内有较多细小的第一相。晶界上有少量的第一相，按照 DLT1422 老化评级，组织老化级别为2级，轻度老化。样管D（T91侧）母材微观组织为回火马氏体，品粒度6.5-7级，马氏体板条位向比较清晰，板条束内、板条界大量细小碳化物弥散分布，少量颗粒状碳化物在晶界析出，按照 DLT 884 老化评级，组织老化级别为1.5级，介于未老化和轻度老化之间。样管C和样管D的焊口（TPBA7H-T9Y）裂纹沿着T91 侧熔合线开裂，熔合线边缘即裂纹边缘：在T91 外壁侧可见断裂时的塑性变形，裂纹由内壁向外壁扩展。

3.综合论述分析

通过上文理化检验结果表明，TP347H和T91样管母材的化学成分及力学性能均满足 ASME SA-213M标准要求，金相组织正常。样管C与样管D对接焊口沿着T91侧熔合线位置断裂，在T91外壁侧可见断裂时的塑性变形，裂纹由内壁向外壁扩展。

业内对异种钢焊接焊口的失效研究存在多种看法，主要有异常碳迁移（富碳与脱碳）、

Ι型碳化物处蠕变损伤、热强性和热膨胀系数不匹配等。孙伟等[1]认为异种钢焊接焊口

局部应力集中是产生裂纹的直接原因，锅炉机组运行过程中的设备启停、内部介质波动

等引起的交变应力是裂纹产生的诱发因素，并对裂纹扩展有促进作用。陈国星等[2]认为裂纹形成的原因是异种钢焊缝侧熔合线上形成的楔形延伸和熔合线处的异常富碳层。刘立营[3]等认为焊口经过高温长期试验后，合金钢侧熔合线附近会析出链状Ι型碳化物，焊口的低塑性开裂在该Ι型碳化物处形核，进而通过蠕变孔洞的长大和连接的方式导致异种钢焊口的早期脆性失效。于显龙[4]编著的《机械设备失效分析》中提到，异种钢对接焊时，存在材料之间的热强性和热膨胀系数不匹配，且两种材料的热强性相差较多,焊缝低强度区属于薄弱部位，易发生断裂。孙伟等人在研究T91+TP347H异种钢接头失效原因时，认为工作温度过高和较大的纵向拉伸应力是导致T91侧在服役早期就产生裂纹的主要原因。异种钢焊口在焊接热循环的特殊作用以及设备的运行过程中，热膨胀系数差形成的热应力、碳迁移等，往往会导致焊接焊口的物理、化学、组织结构、机械性能发生不利变化。此次发生开裂的样管为马氏体钢T91与奥氏体耐热钢的异种钢焊接焊口，焊缝同样为奥氏体材质，材料的组织和成分在 T91侧熔合线部位会发生突变，形成一个硬化层（富碳）和软化层（贫碳），其蠕变强度较低。T91侧熔合线位置为异种钢接头固有的薄弱区，当在高温环境下，长期承受设备启停、负荷变化等引起的交变应疗则会产生蠕变脆性开裂的风险。交变应力越大、温度越高，开裂风险则会增大。

结论

（1） TP347H 和 T91 样管母材的化学成分及力学性能均满足 ASME SA-213M 标准要求，

金相组织正常。

（2）异种钢焊口 T91 侧的裂纹产生原因为：T91 侧熔合线位置为异种钢接头固有的薄弱

区，当在高温环境下，长期承受设备启停、负荷变化等引起的交变应力，则会产生蠕变

脆性开裂的风险。交变应力越大、温度越高，开裂风险则会增大。

参考文献

[1] 孙伟，徐祥久等.SA-213TP347H 与 12Cr1MoVG 异种钢焊接焊口失效分析[J].机械制

造文摘-焊接分册，2015(5)，30~34.

[2 陈国星，胡金力等. 12Cr1MoV 和 TP304H 异种钢焊缝失效分析[J]. 电力建设，2011，

32(2)，84~88.

[3] 刘立营，李太江等. TP304H+12Cr1MoV 异种钢焊接焊口的界面蠕变损伤行为[J]. 焊管，2013，36(10)，31~35.

[4] 于显龙，张瑞等. 机械设备失效分析[M]. 上海，上海科学技术出版社，2009.