SA213-T91和12Cr1MoV異種鋼焊接接頭斷裂分析與處理

趙飛，俞科明，王星辰，胡豐豐

(中國能源建設(shè)集團安徽電力建設(shè)第二工程有限公司，合肥236000)

0 前言

現(xiàn)階段，碳達(dá)峰、碳中和擺在環(huán)資工作的突出位置，火力發(fā)電廠作為保證電力供應(yīng)的主要力量，調(diào)峰壓力與日俱增，為了能適應(yīng)復(fù)雜多變的工況，要求火力發(fā)電廠設(shè)備穩(wěn)定性更高，吹掃沖管是機組運行前的重要階段，是保證設(shè)備穩(wěn)定運行的必須步驟，沖管所使用的控制閥門及其閥門后管道一般為臨時管道。

SA213-T91和12Cr1MoVG化學(xué)成分及理化性能差異較大，焊接時容易產(chǎn)生成分偏析或者出現(xiàn)其他焊接缺陷[1-3]，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。因此在實際生產(chǎn)中，通常使用ER90S-B9類焊材或TIG-R40等過渡性材料，減少化學(xué)成分的偏析現(xiàn)象，以保證焊接質(zhì)量的控制。

1 焊接工藝及熱處理

某電廠焊接接頭規(guī)格φ48 mm×7 mm，材質(zhì)為SA213-T91和12Cr1MoVG異種鋼對接，閥門側(cè)12Cr1MoVG，管子側(cè)SA213-T91，焊材選用TIG-R40/R407，焊接方式GTAW+SMAW，兩側(cè)管材已經(jīng)歷十余臺機組沖管任務(wù)，工況為反復(fù)加熱，壓力反復(fù)變化。焊接接頭示意圖如圖1所示。

圖1 焊接接頭示意圖

焊接工藝焊接方式為鎢極氬弧焊+焊條電弧焊(GTAW+SMAW)，焊材選用TIG-R40和R407，焊接位置6G。表1中對各焊層的焊接方式、焊材、電弧電壓、焊接電流和焊接速度進(jìn)行了規(guī)定。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊縫材質(zhì)光譜分析見表2，Cr含量2.34%，Mo含量1.1%。

表2 焊縫合金元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

如圖2所示，熱處理曲線記錄了工件溫度的變化過程，穩(wěn)定了組織，消除了焊接應(yīng)力。

圖2 熱處理曲線圖

2 斷口的分析

試樣的分析主要是通過對斷裂截面的觀察，結(jié)合斷裂的位置，對接頭區(qū)域金相組織分析，以及斷裂產(chǎn)生的母材進(jìn)行力學(xué)分析，分析導(dǎo)致斷裂的原因。

2.1 直接觀察

在吹管泄壓過程中，一處焊接接頭發(fā)生漏汽現(xiàn)象，停機后發(fā)現(xiàn)焊接接頭區(qū)域斷裂。對試樣斷口進(jìn)行觀察分析，斷裂位置是焊接接頭熔合線附近SA213-T91側(cè)，斷裂位置從母材開裂一直延伸到焊縫，斷裂源顯示清晰，有裂紋源特征，擴展區(qū)較為平滑，瞬斷區(qū)有撕裂痕跡。

2.2 低倍放大鏡觀察

將試樣用醋酸酒精溶液清洗，用放大鏡觀察，斷裂源區(qū)有線狀裂紋。圖3為斷口A-B面，從A面可以看出裂紋源處有明顯的細(xì)線狀裂紋，裂紋延長度方向擴展，到達(dá)瞬斷區(qū)后，在瞬斷區(qū)撕裂，斷裂形式為張開型，隨后斷裂區(qū)域經(jīng)過分離區(qū)1、分離區(qū)2、分離區(qū)3，在最終分離區(qū)分離；從B面可以看出斷裂源處母材致密性和光潔度不好，是失效起始點的特征，在瞬斷區(qū)域較為平滑，有明顯的層狀撕裂痕跡，最終分離區(qū)有凸起和下凹的痕跡，符合分離后撕扯的特征。

圖3 斷口的A-B面

2.3 金相分析

使用4%硝酸酒精溶液腐蝕焊縫，在200倍和400倍金相顯微鏡下觀察，顯示焊縫組織為鐵素體加貝氏體(F+B)。由于斷裂源不在熔合區(qū)內(nèi)，所以對熔合線附近的SA213-T91金相組織進(jìn)行了分析。用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕SA213-T91母材，在400倍金相顯微鏡下觀察。由圖4可以看出SA213-T91管材為回火馬氏體組織。

圖4 SA213-T91管材組織

2.4 T91管材力學(xué)性能

SA213-T91管材拉伸試驗結(jié)果見表3，結(jié)果表明：屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 SA213-T91管材拉伸試驗結(jié)果

對試樣SA213-T91側(cè)進(jìn)行沖擊韌性檢測，根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，由于工件規(guī)格為φ48 mm×7 mm，加工的試樣尺寸不能滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣55 mm×10 mm×10 mm，所以采用55 mm×10 mm×5 mm的小尺寸試樣。試驗溫度20 ℃。擺錘在A處所具有的勢能為：

E=GH=GL(1-cosα)

(1)

沖斷試樣后，擺錘在C處所具有的勢能為：

E1=GH=GL(1-cosβ)

(2)

勢能之差E-E1，即為沖斷試樣的沖擊吸收能量：

AKV=E-E1=GL(cosβ-cosα)

(3)

式中：G為擺錘重力，N；L為擺長(擺軸到擺錘重心的距離)，mm；α為沖斷試樣前擺錘揚起的最大角度；β為沖斷試樣后擺錘揚起的最大角度。

沖擊試驗結(jié)果見表4。結(jié)果表明：SA213-T91管材沖擊韌性符合要求。

表4 SA213-T91管材沖擊吸收能量 J

由于里氏硬度計檢測小徑管薄壁管時常會出現(xiàn)較大偏差[4]，所以對T91段管材進(jìn)行布氏硬度檢測。硬度計為天星PHBR-4-3，1 838.7 N，2.5 mm硬質(zhì)合金球，加載10 s。

布氏硬度檢測結(jié)果見表5。結(jié)果表明：SA213-T91管材硬度符合要求。

表5 SA213-T91管材布氏硬度 HB

2.5 工件工況分析

查詢汽機管道系統(tǒng)吹管方案，開啟控制閥門的主蒸汽出口壓力6.5～8.0 MPa，壓降幅度為2.9 MPa，過熱出口蒸汽溫度430 ℃，每次吹管系數(shù)DF>1的時間不小于90 s，臨時閥門全開的時間不少于2 min。百萬機組的設(shè)計指標(biāo)高，沖管的負(fù)載較大，在循環(huán)的壓力變化時，工件的受到往復(fù)作用的力。

2.6 分析結(jié)論

通過材料的力學(xué)性能分析，表明材料的強度、沖擊韌性和硬度符合要求，通過金相分析，表明T91側(cè)材料的金相組織為馬氏體，符合要求。通過觀察斷裂截面，斷裂源處母材致密性和光潔度不好，是失效起始點的特征，在瞬斷區(qū)域較為平滑，有明顯的層狀撕裂痕跡，最終分離區(qū)有凸起和下凹的痕跡，符合分離后撕扯的特征。因此在長期溫度和應(yīng)力快速循環(huán)變化的工況下，工件中的裂紋快速生長，裂紋的尖端角度較小，在長度方向應(yīng)力集中較大，施加的往復(fù)載荷后，極易擴展，受力截面積變小，當(dāng)承載面積不足以承載管內(nèi)蒸汽壓力之后，導(dǎo)致斷裂。

3 裂紋的處理

對其余3個焊接接頭接頭區(qū)域進(jìn)行了滲透檢測，發(fā)現(xiàn)1處裂紋，如圖5所示。對其進(jìn)行挖除，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷，綜合分析，該類焊接接頭存在較大殘余應(yīng)力，在頻繁的溫度變化和壓力變化過程中，易產(chǎn)生裂紋。

圖5 焊接接頭滲透檢測

由于裂紋具有生長性，是不允許存在的缺陷，為了消除缺陷，且避免由于應(yīng)力集中產(chǎn)生新的裂紋，根據(jù)實際情況，決定采用角磨機進(jìn)行挖除，挖除過程中并未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。結(jié)合斷裂焊口綜合分析，焊接接頭存在較大殘余應(yīng)力。局部返工存在隱患，因此決定切除焊口隨后坡口進(jìn)行 PT 檢測確認(rèn)。再重新焊接。

3.1 焊接方法

補焊為采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的多層多道焊接方法。焊接采用的焊材為 TIG-R40和R407，鎢極氬弧焊采用φ2.5 mm的焊絲，層間焊接和蓋面采用φ2.5 mm 的焊條。焊條烘干后隨用隨取，用專用焊條筒領(lǐng)用。焊前焊件需預(yù)熱至 250～350 ℃。根部用鎢極氬弧焊進(jìn)行堆焊，保證焊接根部圓滑過渡。

3.2 焊接過程控制

該臨時管道為小口徑薄壁管，其焊接接頭拘束度小，返工是整口割除，重焊難度較小。造成影響最大的部位是熔合線附近區(qū)域[5]，焊接過程中控制較低的層間溫度，采用小電流，多道焊，層間溫度控制在 250～350 ℃。每道焊完之后，用角磨機清理焊渣，然后下一道焊接，直至焊滿。

3.3 焊后熱處理

焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理，消除淬硬性組織[6]。焊后不應(yīng)立即升溫進(jìn)行回火，也不應(yīng)冷卻至室溫后再進(jìn)行熱處理。由于是小徑管焊后熱處理，熱處理測溫點應(yīng)對稱布置在焊縫中心兩側(cè)，每側(cè)設(shè)一個測溫點，可采用纏繞式或履帶式加熱片，采用履帶式加熱片時應(yīng)使加熱片與工件緊密接觸。焊后熱處理溫度為 720～750 ℃。熱處理過程中，應(yīng)力求內(nèi)外壁溫度均勻，恒溫時在加熱范圍內(nèi)注意兩側(cè)點間的溫度差應(yīng)低于20 ℃，熱處理時間嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求實施。

4 結(jié)論

(1)試樣斷裂的原因是焊接接頭的裂紋在頻繁的溫度變化和壓力變化的作用下，在裂紋迅速擴展生長，導(dǎo)致斷裂。

(2)帶缺陷的焊接接頭要根據(jù)其缺陷形式做返工或觀察處理，不能帶危害性缺陷工作，返工過程嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行。

(3)受往復(fù)載荷的管道和焊接接頭，受力工況復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)定期組織檢測。