SA-213TP347H與12Cr1MoVG異種鋼焊接接頭失效分析

孫偉，徐祥久，陳曉宇

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046;2.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江哈爾濱150028)

0 前言

由于鉻鎳奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的熱強性和抗氧化能力而被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐過熱器和再熱器部件的高溫段，但從結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性上考慮，低溫段或是過渡段部分仍會使用低合金鋼，這就不可避免地會出現(xiàn)異種鋼焊接接頭［1-3］。這種異種鋼接頭的焊接通常是整個部件制造過程中要求最高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果處理不當(dāng)，也往往成為鍋爐運行過程中的最薄弱環(huán)節(jié)。本文針對某電廠早期失效的異種鋼焊接接頭進(jìn)行研究，分析其失效機(jī)理，以避免類似泄漏事故的重復(fù)發(fā)生，保證電站鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

1 裂紋描述

該異種鋼焊接接頭兩側(cè)母材分別為SA-213TP347H和12Cr1MoVG小口徑管，規(guī)格為φ57 mm×4 mm。采用手工鎢極氬弧焊，焊接材料為ERNiCr-3，焊絲直徑為φ2.4 mm。兩側(cè)母材及焊接材料合金成分見表1，原始焊縫焊接工藝參數(shù)見表2。

截止裂紋被發(fā)現(xiàn)，機(jī)組已累計運行24 000 h。圖1所示為裂紋所在異種鋼焊接接頭，對開裂位置管子進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)管子外徑均未增粗，裂紋出現(xiàn)在12Cr1MoVG側(cè)熔合線位置，且在管子整個壁厚方向已貫穿。

表1 材料合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 裂紋外觀形貌

2 開裂原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

該12Cr1MoVG與SA-213TP347異種鋼焊接接頭為直管對接焊縫，接頭位置本身不存在結(jié)構(gòu)突變和拘束，另外在SA-213TP347管子上距此焊縫較遠(yuǎn)位置存在彎曲部分，鍋爐機(jī)組運行時焊縫處于相對無拘束的自由狀態(tài)。

然而，從圖2a可以看出，開裂位置焊縫內(nèi)表面余高較大，最大余高為3.5mm，在焊縫與12Cr1MoVG管子內(nèi)壁之間形成120°夾角。通過對該焊接接頭內(nèi)部檢察發(fā)現(xiàn)，整條環(huán)縫除裂紋出現(xiàn)位置外，其余部分焊縫內(nèi)表面成形均勻一致，且余高均不超過1 mm(圖2b)。從焊縫表面形貌上觀察，該開裂位置在焊接起弧點，同時又是搭接收弧點。因此，開裂位置焊縫背面余高過高，使母材與焊縫之間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)突變，在突變位置會出現(xiàn)應(yīng)力集中，這是使焊接接頭產(chǎn)生裂紋的一個原因。

圖2 裂紋所在焊接接頭截面

2.2 組織分析

圖3為裂紋微觀形貌。通過對試樣進(jìn)行金相觀察，可以看出12Cr1MoVG的組織為珠光體+鐵素體，焊縫組織為奧氏體+鐵素體，SA-213TP347H為奧氏體組織，金相檢查未發(fā)現(xiàn)母材和焊縫組織異常。裂紋內(nèi)部充滿了氧化物，為裂紋產(chǎn)生后高溫蒸汽氧化所致。

圖3b所示為裂紋尖端SEM照片。裂紋出現(xiàn)在HAZ和焊縫相熔合的界面上，同時裂紋的擴(kuò)展也是沿著該界面方向進(jìn)行的，裂紋始終未向HAZ和焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。在未開裂部分中未見任何孔洞，該裂紋的產(chǎn)生不符合空位開裂的蠕變斷裂理論，可以判定該裂紋不是由于蠕變失效而引起。

圖3 裂紋微觀形貌

2.3 化學(xué)成分及能譜分析

根據(jù)表1可知，發(fā)生失效焊接接頭兩側(cè)母材及所用焊接材料化學(xué)成分均符合要求，且有害元素P、S含量均較低。

通過對裂紋位置進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)裂紋兩側(cè)，即12Cr1MoVG側(cè)熱影響區(qū)和焊縫各主要化學(xué)組成元素分布均勻穩(wěn)定，母材與焊縫過渡區(qū)連續(xù)，不存在明顯的元素析集區(qū)。圖4所示為斷裂位置的EDS線掃描結(jié)果(僅示出了Fe和O兩元素的分析結(jié)果)，可以看出，在裂紋位置Fe和O元素出現(xiàn)明顯波動，這主要是由于裂紋位置存在大量Fe的氧化物，但這些氧化物是在焊接接頭失效后由高溫蒸汽氧化而產(chǎn)生，不是焊接接頭開裂的原因。

2.4 斷口形貌分析

圖5所示為裂紋所在位置斷口形貌，由于高溫蒸汽的氧化作用，原始斷裂面已消失，斷口表面已被一層鐵的氧化物覆蓋，很難從斷裂面的顯微形貌分析其斷裂原因。

2.5 硬度分析

圖6為裂紋兩側(cè)區(qū)域顯微硬度測試結(jié)果，從圖中可以看出，在熔合線兩側(cè)，無論焊縫還是12Cr1MoVG側(cè)HAZ硬度值均比其它區(qū)域略高。這與鎳基焊接材料對碳在異種鋼焊縫界面遷移的抑制作用，使碳元素在熔合線附近區(qū)域富集，以及焊接熱影響區(qū)的硬化作用有關(guān)［4，5］。

圖4 裂紋能譜分析

圖5 斷口形貌

然而，無論母材、HAZ還是焊縫，其硬度均在較理想的范圍內(nèi)，測得的硬度最大值為277 HV。這說明用于完成此焊接接頭的焊接工藝合理、參數(shù)恰當(dāng)，焊接接頭未出現(xiàn)明顯硬化區(qū)。

圖6 裂紋附近區(qū)域硬度分布

2.6 強度分析

對裂紋所在焊接接頭無裂紋部分進(jìn)行拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，焊接接頭兩試樣均為韌性斷裂，抗拉強度分別為606 MPa和608 MPa，均高于兩側(cè)母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的下限值。拉伸試樣斷裂發(fā)生在12Cr1MoVG一側(cè)管子母材上，這與12Cr1MoVG抗拉強度比SA-213TP347H略低相吻合。

綜上所述，在制造過程中焊接操作不當(dāng)，焊縫背面局部余高過大，產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中;同時，該焊接接頭還承受著由設(shè)備啟停、內(nèi)部介質(zhì)波動等引起的交變應(yīng)力作用。鍋爐機(jī)組運行過程中，在這些不利因素綜合作用下，異種鋼焊接接頭位置將會產(chǎn)生一定的疲勞載荷，當(dāng)這些作用達(dá)到一定限值后，便會在應(yīng)力集中最突出的部位形成裂紋，隨著時間的積累，裂紋沿著焊接接頭的相對薄弱區(qū)域不斷擴(kuò)展，最終形成貫穿性裂紋，使焊接接頭失效并發(fā)生泄漏，造成機(jī)組停機(jī)。

3 結(jié)論

(1)12Cr1MoVG與SA-213TP347H異種鋼焊接接頭由手工氬弧焊焊接而成，焊縫背面局部余高達(dá)3.5 mm，局部應(yīng)力集中是產(chǎn)生裂紋的直接原因;

(2)焊接接頭的微觀組織、化學(xué)成分、抗拉強度和顯微硬度均未發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)用于該焊縫的焊接工藝參數(shù)合理;

(3)鍋爐機(jī)組運行過程中的設(shè)備啟停、內(nèi)部介質(zhì)波動等引起的交變應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的誘發(fā)因素，并對裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用;

(4)在鍋爐產(chǎn)品制造過程中減少手工操作，提高焊接機(jī)械化、自動化程度，加強焊接質(zhì)量控制，是減少類似泄漏事件發(fā)生，保證異種鋼焊接接頭的長期安全服役的有效途徑。

［1］馬文姝，白鳳臣，傘國安.鍋爐異種鋼管焊接接頭焊縫稀釋率試驗［J］.焊接，2006(10):27-30.

［2］張哲峰，王文先，洪衛(wèi).TP347H鋼焊接接頭微觀組織及斷口形貌分析［J］.焊接，2006(11):40-43

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