鍋爐末級過熱器T92/HR3C異種鋼接頭斷裂原因分析

孫 標(biāo) ，楊賢彪 ，肖 杰 ，楊 超

（1.神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100069；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102）

某電廠1號爐為哈爾濱鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的HG3100/27.6-YM3型超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，2009年12月28日投產(chǎn)。2011年6月4日運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)鍋爐泄漏，當(dāng)時(shí)機(jī)組主要運(yùn)行參數(shù)為：機(jī)組負(fù)荷990 MW、主汽溫度590℃、主汽壓力25.74 MPa、再熱蒸汽溫度599℃、再熱蒸汽壓力5.48 MPa。截止至本次爆管停機(jī)，已累計(jì)運(yùn)行約1萬h。

1 失效部件情況介紹

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，末級過熱器出口段第88屏外向內(nèi)數(shù)第13根管位于頂棚上方的HR3C/T92異種鋼焊接接頭沿T92側(cè)熔合線處整體斷裂，如圖1所示。

末級過熱器管共有100屏，每屏由16根管組成。管子材料除外三圈管子下彎頭區(qū)域局部采用SA213TP310HCbN外，進(jìn)口段管子以SA-213TP347H為主，下彎頭及出口段管子則以SA-213S30432為主；管子規(guī)格除外圈第1根管管子規(guī)格為Φ57×7.5和Φ57×9，其余15根管的管子規(guī)格為Φ44.5×7.5和Φ44.5×9。頂棚上方進(jìn)口連接管材質(zhì)為T91，出口連接管材質(zhì)為T92。為了避免現(xiàn)場異種鋼焊接工作，在SA-213S30432和T92材料的出口連接管之間設(shè)計(jì)了一段300 mm長的異種鋼過渡段，布置在鍋爐頂棚管上方，由150 mm長的SA213TP310HCbN（即HR3C）過渡短節(jié)（Φ54×14）和 150 mm 長 T92 過渡短節(jié)（Φ54×12）組焊而成，如圖2所示。

該異種鋼過渡段在鍋爐廠內(nèi)制造完成，采用自動熱絲TIG焊接工藝，焊后經(jīng)705～730℃保溫40 min的焊接退火熱處理，該熱處理一般采用縫隙爐設(shè)備進(jìn)行，據(jù)了解也有采用單個(gè)加熱器進(jìn)行局部熱處理。

2 宏觀分析

2.1 斷口形貌分析

對上、下斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)斷裂沿異種鋼接頭T92側(cè)熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生，如圖3所示。內(nèi)壁在距離異種鋼焊縫根部熔合線1～2 mm處開始頸縮變形，斷口平整如圖4所示。T92過渡短節(jié)靠近異種鋼焊縫附近嚴(yán)重脹粗減薄，管子脹粗部位內(nèi)外壁表面均可見龜裂紋，T92側(cè)斷口也較平整，如圖5、圖6所示。仔細(xì)觀察，兩側(cè)斷口表面均有舌苔狀金屬附著物，呈剪切斷裂特征。

2.2 尺寸脹粗測量

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，HR3C不銹鋼過渡短節(jié)及焊縫均無明顯脹粗變形，而T92過渡短節(jié)在靠近異種鋼對接焊縫附近的局部管段卻發(fā)生了嚴(yán)重的脹粗變形。用游標(biāo)卡尺對上下斷口的內(nèi)外緣進(jìn)行尺寸測量，如圖7所示。HR3C不銹鋼側(cè)斷口內(nèi)緣直徑為33.2 mm（同位置焊縫根部熔合線內(nèi)緣直徑為31.2 mm），斷口最高處外緣直徑為52.5 mm （同位置焊縫熔合線外緣直徑為55.0 mm）；T92側(cè)斷口內(nèi)緣直徑為52.2 mm，T92側(cè)斷口外緣直徑為 64.0 mm，T92側(cè)斷口的內(nèi)緣直徑幾乎與HR3C不銹鋼側(cè)斷口的外緣尺寸相當(dāng)。說明異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)外表面在斷裂發(fā)生前均發(fā)生了變形開裂和頸縮過程。

采用游標(biāo)卡尺對T92過渡短節(jié)進(jìn)行管徑脹粗測量，如圖8所示，測量結(jié)果如表1所示?？梢?，T92過渡短節(jié)在異種鋼焊縫附近的局部管段嚴(yán)重脹粗，最大脹粗尺寸為67.7 mm，發(fā)生在距異種鋼焊縫約15 mm處，脹粗率高達(dá)25.4%，距異種鋼焊縫約50 mm處管子脹粗率降為7.2%，距異種鋼焊縫約75 mm處管子脹粗率降為1.9%。

表1 失效管脹粗測量結(jié)果

3 試驗(yàn)分析

3.1 光譜材質(zhì)復(fù)核

使用現(xiàn)場直讀式光譜儀對發(fā)生脹粗的T92過渡短節(jié)進(jìn)行光譜材質(zhì)復(fù)核，材質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 硬度測試

采用里氏硬度計(jì)對發(fā)生脹粗的T92過渡短節(jié)進(jìn)行了硬度測試，測試部位如圖9所示，測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果顯示：發(fā)生脹粗的T92過渡短節(jié)局部硬度異常，低于DL/T 438—2008《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)附錄中關(guān)于T/P91，T/P92鋼材料推薦硬度范圍180～250 HB的下限，且呈現(xiàn)越靠近異種鋼焊縫硬度越低的規(guī)律，而遠(yuǎn)離異種鋼焊縫的一端硬度完全符合規(guī)程要求。

3.3 金相分析

對T92過渡短節(jié)的脹粗最嚴(yán)重部位（見圖9，距焊縫約15 mm處）取樣進(jìn)行橫向截面的金相組織觀察，組織為鐵素體+碳化物+貝氏體（殘余奧氏體轉(zhuǎn)變），而非正常的回火馬氏體組織，分析為高溫相變組織 （見圖10），可能為焊后熱處理溫度過高所致，該部位的顯微硬度檢測為167HV0.2，對應(yīng)部位表面硬度測試值為150 HB；而對該T92過渡短節(jié)未明顯脹粗部位進(jìn)行覆膜金相檢驗(yàn)（見圖9），檢驗(yàn)結(jié)果顯示金相組織正常（見圖11），對應(yīng)部位表面硬度測試值為200 HB和220 HB。

表2 脹粗失效的T92短節(jié)表面硬度測試結(jié)果 HB

4 原因分析

管子斷裂沿異種鋼接頭T92側(cè)熔合線和熱影響區(qū)發(fā)生，內(nèi)壁在距離異種鋼焊縫根部熔合線1～2 mm處開始拉伸變形開裂，T92過渡短節(jié)靠近異種鋼焊縫附近嚴(yán)重脹粗減薄，管子的脹粗部位內(nèi)外壁表面均可見到大量龜裂紋，兩側(cè)斷口均較平整，仔細(xì)觀察斷口表面均有舌苔狀金屬黏連顆粒，呈剪切斷裂特征。

HR3C不銹鋼過渡短節(jié)及焊縫均無明顯脹粗變形，而T92過渡短節(jié)在靠近異種鋼對接焊縫附近的局部管段卻發(fā)生了嚴(yán)重的脹粗變形。HR3C不銹鋼側(cè)斷口內(nèi)緣直徑33.2 mm，同位置焊縫根部熔合線內(nèi)緣尺寸為31.2 mm，斷口最高處外緣直徑為52.5 mm，而同位置焊縫熔合線外緣尺寸為55.0 mm，說明異種鋼接頭T92側(cè)熱影響區(qū)內(nèi)外表面在斷裂發(fā)生前均發(fā)生了變形開裂和頸縮過程；T92側(cè)斷口內(nèi)緣直徑為52.2 mm，T92側(cè)斷口外緣直徑為 64.0 mm，T92側(cè)斷口的內(nèi)緣直徑幾乎與HR3C不銹鋼側(cè)斷口的外緣尺寸相當(dāng)，說明斷裂發(fā)生時(shí)，斷裂面發(fā)生了快速的剪切滑移過程，這與斷口表面呈現(xiàn)的舌苔狀金屬黏連顆粒形貌特征吻合。

對發(fā)生脹粗的T92過渡短節(jié)進(jìn)行光譜材質(zhì)復(fù)核，材質(zhì)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，未錯(cuò)用材料；對發(fā)生脹粗的T92過渡短節(jié)進(jìn)行了硬度測試，未發(fā)生脹粗的管段硬度正常，只有發(fā)生脹粗的管段局部硬度異常，低于DL/T 438—2008《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)附錄中關(guān)于T/P91，T/P92鋼材料推薦硬度范圍180～250 HB的下限，且呈現(xiàn)越靠近異種鋼焊縫硬度越低的規(guī)律。T92過渡短節(jié)的脹粗最嚴(yán)重部位取樣進(jìn)行金相組織觀察，組織為鐵素體+碳化物+貝氏體（殘余奧氏體轉(zhuǎn)變），而非正?；鼗瘃R氏體組織，明顯為相變組織，而對該T92過渡短節(jié)未明顯脹粗部位進(jìn)行覆膜金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示金相組織正常。這也正好解釋了該T92過渡短節(jié)發(fā)生局部脹粗的原因。

一段150 mm長的T92管段為何一端硬度和組織正常，另一端靠近異種鋼焊縫側(cè)卻呈現(xiàn)金相組織異常和硬度逐步降低呢？由于脹粗管段處于頂棚上方約200 mm，且位于密封澆注料內(nèi)，不可能直接受到爐膛高溫?zé)煔庵苯蛹訜幔羝麥囟冗^熱也不可能使管子局部硬度和組織發(fā)生變化，因此，基本可以排除運(yùn)行過程中，管子硬度和組織發(fā)生變化的可能。發(fā)生這種情況的最可能原因，是制造或安裝過程中該管段受到局部異常加熱。有關(guān)文獻(xiàn)研究認(rèn)為，760℃，30 min的焊后熱處理,有助于改善T92/HR3C異種鋼焊接接頭的綜合力學(xué)性能[1]。從鍋爐廠服務(wù)技術(shù)人員了解到，該異種鋼焊接接頭需進(jìn)行焊后熱處理，且熱處理可能采用加熱器對焊接接頭進(jìn)行局部加熱。而T92焊縫、母材的硬度和抗拉強(qiáng)度均隨回火溫度升高而降低。焊縫附近未回火的T92母材的馬氏體粗大，呈細(xì)針狀；經(jīng)740～780℃回火，馬氏體組織會變細(xì)，但板條特征明顯；超過780℃，馬氏體板條特征消失，表現(xiàn)為屈氏體組織；隨回火溫度升高，母材碳化物會產(chǎn)生偏聚，鐵素體含量增加；780℃以下回火母材力學(xué)性能滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。因此分析有可能在進(jìn)行焊后熱處理過程中，存在因控溫?zé)犭娕紦p壞或熱電偶安裝位置不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е碌臒崽幚頊囟冗^高，超過了780℃，而使焊接接頭附近的T92管段發(fā)生局部組織異常和硬度強(qiáng)度性能下降。

由于是焊后熱處理導(dǎo)致的焊縫附近的T92管段局部組織異常和性能下降，在高溫高壓蒸汽內(nèi)壓力作用下，在緊鄰焊縫的T92管段發(fā)生了局部脹粗，然而奧氏體不銹鋼材質(zhì)的焊縫強(qiáng)度未受到任何影響，因而對T92側(cè)管子的環(huán)向鼓包脹粗起到拘束限制作用，從失效T92管端的最終形態(tài)看，局部管段已逐漸脹粗變形趨于球狀，因此，在受到焊縫嚴(yán)重拘束作用下的T92側(cè)焊縫熱影響區(qū)的管子軸向應(yīng)力已逐漸接近管子周向應(yīng)力。T92側(cè)熱影響區(qū)在管子脹粗帶動下產(chǎn)生整圈均勻變形和內(nèi)外表面開裂，當(dāng)表面開裂和變形減薄到一定程度，開始沿最薄弱部位（距離焊縫1～2 mm處）產(chǎn)生快速的剪切滑移，直至最終斷裂。

據(jù)了解該廠2號爐也曾在168 h試運(yùn)行期間發(fā)生一次高過出口異種鋼過渡段T92短節(jié)的脹粗鼓包開裂爆管，推斷導(dǎo)致T92短管發(fā)生失效的根本原因應(yīng)相同。導(dǎo)致失效的表象不完全相同的原因可能有兩個(gè)：一是有可能焊后熱處理時(shí)加熱器中心位置偏離了焊縫，導(dǎo)致硬度和強(qiáng)度最薄弱帶離開了焊縫；另一個(gè)原因是試運(yùn)行初期系統(tǒng)內(nèi)雜物較多，節(jié)流孔極易發(fā)生異物堵塞導(dǎo)致個(gè)別管子汽溫超溫幅度較高，由于蠕變速度的不同導(dǎo)致發(fā)生不同的失效現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

（1）該鍋爐末級過熱器出口的T92/HR3C異種鋼焊接接頭發(fā)生局部脹粗和環(huán)向剪切斷裂失效的最主要原因是焊縫附近的T92管段組織異常和性能下降。導(dǎo)致這一情況發(fā)生的最可能原因是該焊接接頭在進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致實(shí)際熱處理溫度過高。

（2）同類型鍋爐為了避免發(fā)生類似情況，建議對高過出口所有T92/HR3C異種鋼過渡段的T92側(cè)管段進(jìn)行宏觀、脹粗及硬度檢查，且應(yīng)重點(diǎn)檢查靠近異種鋼焊縫的管段，發(fā)現(xiàn)管子脹粗鼓包開裂等異常應(yīng)更換異種鋼過渡段；硬度明顯異常 （低于170 HB）應(yīng)進(jìn)行金相組織檢查，必要時(shí)也應(yīng)更換異種鋼過渡段。

（3）建議今后對T91或T92材料與不銹鋼對接的異種鋼焊接接頭驗(yàn)收的時(shí)候，應(yīng)增加T91，T92側(cè)熱影響區(qū)和母材的硬度檢驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)行金相檢驗(yàn)抽查。

（4）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)要求異種鋼焊接接頭布置在頂棚上方，且最好應(yīng)高于頂棚密封澆注料150 mm，以便于異種鋼焊接接頭的定期檢查。

[1]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.

[2]齊向前，田旭海.焊后熱處理對T92鋼焊接接頭組織及性能的影響[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊)，2008，44（3）：115-118.