超超臨界機組P91管道裂紋顯微組織結(jié)構(gòu)分析

董志紅，蒙殿武，沈全宏，范洪遠

（1.成都大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都610106；2.江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇南通226246；3.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

超超臨界機組P91管道裂紋顯微組織結(jié)構(gòu)分析

董志紅1，蒙殿武2，沈全宏2，范洪遠3

（1.成都大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都610106；2.江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇南通226246；3.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065）

P91合金管在某電廠超超臨界機組中發(fā)生U型焊接接口開裂現(xiàn)象。對開裂的U型P91合金管焊口開裂進行宏觀和微觀分析，結(jié)果表明，在焊口內(nèi)部存在較長的裂紋，由內(nèi)向外表面以沿晶方式開裂，深度達到82 mm，裂紋尖端出現(xiàn)層狀撕裂，表現(xiàn)為熱裂紋，內(nèi)部有較厚的氧化皮。焊縫內(nèi)部大量片狀夾渣缺陷聚集以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋在焊縫爐前側(cè)貫穿到焊縫根部，而在爐后側(cè)沿深度擴展較淺。

超超臨界機組；P91管道；裂紋

0 前言

近年來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，大容量、高參數(shù)機組已逐步成為我國火電行業(yè)的主力機組。尤其是600 MW以上的亞臨界、超臨界機組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱段和主汽聯(lián)箱，基本上都采用P91合金。P91被稱為9Cr1Mo鋼，由于其良好的力學(xué)特性、耐受壓力（17～23 MPa）、抗高溫氧化及抗蠕變性能，多年來一直廣泛應(yīng)用于大型電力系統(tǒng)主蒸汽管道等高溫承壓部位[1-3]。但是，由于生產(chǎn)批次、加工及焊接工藝的不同，導(dǎo)致P91耐熱合金鋼焊縫在某電廠超超臨界機組中，在后屏過出口集箱至末級過入口中間連接管道焊口處出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象，給機組安全運行帶來極大隱患。針對這一現(xiàn)象，本研究進行開裂裂紋的檢測和分析。

1 材料與方法

1.1 樣品處理

實驗采用電廠開裂P91合金管進行基體切割處理，規(guī)格為φ559 mm×84 mm。將切割的樣品進行微處理，去除表面的銹垢，超聲清洗后檢測分析。管材的主要成分如表1所示。

表1 P91合金管的主要成分及含量％Tab.1Chemical component and content of P91 alloy pipes

1.2 試樣表征

通過光學(xué)顯微鏡對裂紋進行宏觀觀察；通過超聲波探傷技術(shù)檢測裂紋深度；通過樹脂包埋，切削、打磨及拋光，用金相顯微鏡觀察裂紋處組織形貌。

2 結(jié)果和分析

2.1 宏觀檢測

從外觀上觀察，P91合金管是U型結(jié)構(gòu)，拼接處的焊口表面存在較長一段表面裂紋，該裂紋位于焊縫上側(cè)，并沿爐后側(cè)方向延伸，且該表面裂紋在焊縫中心偏固定端。如圖1所示，為了進一步確定焊縫的裂紋深度，用圖2a表示超聲波檢測探傷檢測位置，結(jié)果如圖2b所示。超聲波探傷檢測發(fā)現(xiàn)該焊口內(nèi)部存在較長的裂紋缺陷，厚度方向沿周向向爐前側(cè)展開距離表面深度為26～34 mm時，缺陷反射波長度最長；距離表面深度為60～68 mm時，缺陷反射波深度最深；焊縫根部距離表面深度為82 mm。

圖1 拼接管焊口表面處的裂紋形貌Fig.1Crack morphology of on the surface of welded junction pipes

2.2 裂紋宏觀形貌觀察

將表面裂紋向深處打磨，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域裂紋已經(jīng)貫穿焊縫（見圖3a），且該裂紋沿順時針方向向深度方向擴展；隨著車削深度的增加，在近表面處發(fā)現(xiàn)一大塊夾渣，且該裂紋穿過該夾渣，如圖3b所示。隨著深度的進一步增加，發(fā)現(xiàn)裂紋繼續(xù)存在（見圖4a），繼續(xù)車削到60 mm深，發(fā)現(xiàn)類似的層片狀夾渣缺陷與裂紋相連，如圖4b、圖4c所示。繼續(xù)車削直到大部分裂紋消除后，用打磨機對局部進行打磨，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域裂紋已經(jīng)貫穿焊縫?？傊?，P91合金管焊縫處貫穿裂紋為由多個小裂紋不斷擴展而連結(jié)形成，同時該裂紋在爐前側(cè)貫穿到焊縫根部，而爐后側(cè)裂紋主要分布在近表面。

圖2 焊縫裂紋缺陷超聲波探傷位置與深度位置分布Fig.2At welding junction crack detected position diagram and detected depth map by ultrasonic testing

圖4 車削到不同深度的裂紋形貌Fig.4Cracked morphology of different depth by turning

2.3 裂紋微觀形貌觀察

采用手持式砂輪機切割該缺陷周圍的焊縫金屬。切割過程中，始終保持試樣溫度手觸不燙。切取的缺陷試樣形貌如圖5所示，焊口連接處已大部分開裂，進一步將試樣橫向、縱向及裂紋尖端進行樹脂包埋、制樣、拋光，進行金相觀察分析。其結(jié)果表明：從斷口橫向試樣的金相照片可以看出（見圖6），主裂紋位于焊縫內(nèi)，終斷區(qū)位于外表面位置（最后一層焊道），且主裂紋附近二次裂紋的裂紋尖端也指向外壁，說明該裂紋由內(nèi)部向外表面開裂。裂紋在焊接區(qū)及弧坑處以沿晶方式擴展，且主裂紋附近基本無次生裂紋。所取截面內(nèi)焊縫組織正常，無粗大的板條馬氏體特征。從斷口縱向試樣的金相照片可以看出（見圖7），主裂紋斷面處氧化皮較厚，厚度約82.56 μm（見圖7b），且在表面下層熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)撕裂裂紋。從裂紋尖端試樣的金相照片可以看出，裂紋尖端較為圓鈍，且呈沿晶開裂特征形貌，裂紋內(nèi)部有較厚的氧化皮（見圖8d），表現(xiàn)為熱裂紋特征。

圖5 裂紋形貌Fig.5Crack morphology

圖6 橫向裂紋金相形貌Fig.6Metallographic topography of transversal fracture

2.4 裂紋產(chǎn)生及擴展原因分析

根據(jù)裂紋取樣金相分析及宏觀觀察，影響P91合金鋼裂紋的因素有很多，如熱影響區(qū)的低蠕變性、焊縫內(nèi)部大量片狀夾渣聚集、氧化皮和母材的熱膨脹系數(shù)差異以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大等，其次還有焊工操作不當(dāng)、吊架布局不合理等外在因素。

針對P91材料本身而言，它含有較多的合金元素，如釩、氮等，屬于空冷馬氏體鋼管，淬硬傾向大，對冷裂紋較敏感，因此在焊接接頭時需要預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度200℃～250℃。在焊接時，熱影響區(qū)較窄（2～5 mm），在不同的亞區(qū)，抗蠕變性能不同，研究表明，在細(xì)晶區(qū)有大量的未溶碳化物、亞結(jié)構(gòu)多位等軸晶，位錯密度低，高溫蠕變試驗顯示該區(qū)抗蠕變性能最差[4]，而對蠕變性能起著重要作用的VC和NbC在此區(qū)都不會溶解，在焊后熱處理后晶粒反而粗大，未溶的粗大富鉻碳化物導(dǎo)致細(xì)晶區(qū)馬氏體的碳含量遠低于基體本身，在焊后熱處理后不能形成足夠細(xì)小的Cr23C6，因此，細(xì)晶區(qū)的蠕變性能較差，首先出現(xiàn)微裂紋[5]。有研究表明，為了克服這

一缺陷，B元素的加入可消除細(xì)晶區(qū)，也可使B富集在碳化物周圍，延緩碳化物粗化。

圖7 縱向裂紋金相形貌Fig.7Metallographic topography of longitudinal fracture

圖8 裂紋尖端金相形貌Fig.8Metallographic topography of crack tip

焊接夾渣對焊接接頭的性能影響較為復(fù)雜。單個較小的夾渣對焊接接頭的性能影響不大，但當(dāng)夾渣大量聚集，且呈層片狀分布時，其對焊接接頭的影響不能忽視。這些夾雜一部分來自于焊條的復(fù)雜成分，另一部分來自于P91合金的純度不夠?qū)е略谌鄢刂行纬筛嚯s質(zhì)，如在熱影響區(qū)出現(xiàn)的層狀撕裂，主要是C、P、S、O等元素含量過高，在熔池的固化中導(dǎo)致晶界分離，焊縫中出現(xiàn)層片狀夾渣，由于夾渣呈不規(guī)則狀，一方面降低焊縫的塑性和韌性，另一方面尖角會引起很大的應(yīng)力集中，在設(shè)備運行的熱應(yīng)力作用下，其尖端很容易萌生微裂紋。觀察發(fā)現(xiàn)，該裂紋均穿過夾渣，因此初步可以判斷，夾渣是裂紋產(chǎn)生的根源。

其次是沒有控制好焊接線能量和焊后熱處理工藝。當(dāng)采用D4焊條時，焊層厚度控制在D4+2，焊層太厚，回火效應(yīng)不明顯，因此焊縫的韌性低；工藝上只規(guī)定了焊后冷卻至100℃～120℃，并沒有規(guī)定時間，若時間不夠充分，凝固時間長，造成粗大的柱狀枝晶組織形成及成分偏析，如圖9中箭頭所示，沒有充分轉(zhuǎn)變成馬氏體，產(chǎn)生一部分D鐵素體，也降低了焊縫的韌性。

圖9 焊縫區(qū)的柱狀枝晶組織Fig.9Columnar dentrite phase in the weld-seam

除了材料的本身特性及焊接工藝影響外，支吊架的布局也影響到裂紋的產(chǎn)生。如圖10所示，通過測量支吊架的位移，發(fā)現(xiàn)管段1和管段2位移量不符合規(guī)律，在熱態(tài)下管段2沿x方向的位移量大于管段1，即可以認(rèn)為管段1阻礙了管段2在x方向的位移。導(dǎo)致的結(jié)果為：管段2受到向管段1方向的彎矩，在運行中該彎矩不斷對焊口產(chǎn)生拉力，加速了裂紋的擴展，同時，焊口處冷卻時未消除的殘余應(yīng)力引起局部塑性變形，在上述拉力作用下易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生[6]；其次，由于管壁較厚（約為82 mm），且裂紋處含有較厚的氧化皮，在高溫下，母材和氧化膜不同的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并向雙層、多層發(fā)展[7]。管壁較厚也導(dǎo)致彎矩在管子不同位置的作

用是不同的，管段2所受彎矩M在焊口不同位置處，爐后側(cè)受彎矩M1，對焊縫表面產(chǎn)生拉應(yīng)力；而焊口在爐前側(cè)位置受彎矩M2，對焊縫表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，一直延伸至焊縫根部，因此內(nèi)應(yīng)力作用是導(dǎo)致裂紋在焊縫爐前側(cè)貫穿到焊縫根部而裂紋在爐后側(cè)沿深度擴展較淺的主要原因。這也與金相顯微觀察到的結(jié)果一致。

圖10 管道彎矩示意Fig.10Bending moment diagram of pipeline

3 結(jié)論

P91合金管在電力系統(tǒng)的超超臨界機組中出現(xiàn)裂紋，通過形貌和顯微組織觀察，可發(fā)現(xiàn)斷口處有片狀夾渣，且部分區(qū)域裂紋已經(jīng)貫穿焊縫，該裂紋沿順時針向深度方向擴展，最深達到82 mm，管子內(nèi)部有大量的氧化皮，裂紋原因主要來自于熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)低蠕變性能、焊接口的夾渣、氧化皮及應(yīng)力作用的結(jié)果。除了焊接工藝的影響之外，焊條的配方有待進一步研究，避免裂紋中夾渣的產(chǎn)生。

[1]Spigarelli S，Quadrini E.Analysis of the creep behaviour of modified P91（9Cr-1Mo-NbV）welds[J].Materials& Design，2002，23（6）：547-552.

[2]Saad A A，Sun W，Hyde T H，et al.Crylic softening behaviour of a P91 steel under low cycle fatigue at high temperature[J].Procedia Engineering，2011（10）：1103-1108.

[3]Foret R，Million B，Svoboda M，Stránsky K.Structural stability of dissimilar weld joints of steel P91[J].Procedia Engineering，2001，6（10）：405-411.

[4]Gutiérrez N Z，Alvarado J V，Cicco H de，et al.Microstructural Study of Welded Joints in a High Temperature Martensitic-ferritic ASTM A335 P91 Steel[J].Procedia Materials Science 2015（8）：1140-1149.

[5]Divya M，Das C R，Albert S K，et al.Influence of welding process on Type IV cracking behavior of P91 steel[J].Materials Science&Engineering A，2014（613）：148-158

[6]Yaghi A H，Hyde T H，Becker A A，et al.Residual stress simulation in weldedsectionsofP91pipes[J].JournalofMaterials Processing Technology，2005，167（2-3）：480-487.

[7]黃偉，李友慶，熊蔚立，等.600 MW超臨界鍋爐高溫過熱器氧化皮脫落爆管原因分析及對策[J].電站系統(tǒng)工程，2008，24（7）：32-34.

Crack microstructure analysis of P91 alloy pipeline on ultra-supercritical generating set

DONG Zhihong1，MENG Dianwu2，SHEN Quanhong2，F(xiàn)AN Hongyuan3
（1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China；2.Jiangsu Datang International Lv Sigang Power Co.Ltd.，Nantong 226246，China；3.School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Fracture of U type at welding junction of P91 alloy pipeline occurred on ultra-supercritical generating set.In this study，this phenomenon was observed and the results were analyzed.The results indicated that a long crack appeared inside the welding junction，and spreaded from inside to outside by the means of intergranular cracking，and the depth reached to 82 mm.Crack tip appeared lamellar tearing and showed hot crack.There was some oxide coating inside the pipeline，some impurity in the area of welding and structural stress concentration，which was the important factor to leading to fracture of welding junction.In welding junction，cracks before the furnace side passed through the weld root and after the furnace side extended shallow along the depth.

ultra-supercritical generating set；P91 pipeline；crack

TG457.6

A

1001－2303（2016）07－0062-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.15

2015-08-24；

2015-12-23

國家自然科學(xué)基金資助項目（81201475）；成都大學(xué)1315工程資助項目

董志紅（1978—），女，博士，副教授，主要從事于金屬材料加工、陶瓷材料的制備與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究工作。