電站鍋爐中末級(jí)再熱器金屬管道焊接接頭斷裂原因分析

侯仰博

（菏澤市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東 菏澤 274000）

國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的不斷發(fā)展，火力發(fā)電機(jī)組的容量及相關(guān)參數(shù)也隨之不斷增加，所以電站鍋爐對(duì)流管束高溫段的選材非常關(guān)鍵。日常應(yīng)用中，一般使用奧氏體金屬材料，但為了降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，目前在低溫段仍使用耐熱型合金金屬材料，因此異種金屬焊接至關(guān)重要[1]。國(guó)內(nèi)某電站的鍋爐末級(jí)再熱器，使用約7萬(wàn)小時(shí)后出現(xiàn)了焊接接頭斷裂的情況，進(jìn)而導(dǎo)致電站產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。此焊接接頭的兩端使用了不同的材質(zhì)，采用合金焊條材料進(jìn)行焊接，工作中的蒸汽壓力為3.62MPa，溫度為540℃，為了避免異種金屬材料在焊接接頭位置再次發(fā)生斷裂情況，本文對(duì)其失效開(kāi)展研究。

1 理化檢驗(yàn)和結(jié)果分析

1.1 宏觀形貌分析

斷裂出現(xiàn)在異種金屬管接頭合金管側(cè)的熔合線位置，并且順熔合線的整圈斷裂，根據(jù)圖1可知，斷口的兩側(cè)未出現(xiàn)顯著的塑性變形，而奧氏體管側(cè)的斷口位置可以清晰看見(jiàn)不同焊道的輪廓，其表面呈灰黑色，并且局部有黃褐色物質(zhì)覆蓋，合金管側(cè)的斷口位置呈坡口形貌，表面呈灰黑色。

圖1 不同金屬材料接頭斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

通過(guò)直讀光譜儀對(duì)焊接斷口的母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，運(yùn)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和碳硫儀針對(duì)焊縫金屬化學(xué)成分進(jìn)行分析。根據(jù)表1可知，焊接斷口位置的奧氏體金屬管與合金管的母材成分均達(dá)到GB/T 5310-2017高壓鍋爐用無(wú)縫金屬管、ASME A213標(biāo)準(zhǔn)，并且焊縫的金屬成分也達(dá)到AWS A5.11標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)化學(xué)成分分析表可以發(fā)現(xiàn)，奧氏體金屬管和焊縫的金屬以及合金管間存在碳濃度。

表1 接頭斷口金屬管母材與焊縫金屬的化學(xué)成分

1.3 力學(xué)性能分析

依據(jù)GB/T 228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)，在焊接斷口位置的兩側(cè)截取金屬管母材兩個(gè)帶頭的縱向弧形樣品，平行長(zhǎng)度為60mm，標(biāo)距為45mm，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測(cè)試分析。本次測(cè)試溫度為23℃，拉伸速度為2mm·min-1，按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試后，焊接位置全部斷裂，由此表明不能開(kāi)展拉伸測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果顯示，奧氏體金屬管屈服強(qiáng)度為243～244MPa，抗拉強(qiáng)度為585-608MPa，斷后伸長(zhǎng)率為69.5%；合金金屬管屈服強(qiáng)度為335-337MPa，抗拉強(qiáng)度為493-501MPa，斷后伸長(zhǎng)率為30.5%。與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比顯示金屬管母材均符合標(biāo)準(zhǔn)。

采用維氏硬度計(jì)對(duì)奧氏體金屬材料管側(cè)的斷口縱向截面進(jìn)行不同位置的維氏硬度測(cè)試，具體斷口測(cè)試點(diǎn)如圖2所示。載荷為98.07N，時(shí)間為10s，點(diǎn)1-3處于斷口附近的焊縫位置，點(diǎn)4-6處于焊縫中間位置，點(diǎn)7-9處于熔合線附近，點(diǎn)10-12處于熱影響區(qū)，點(diǎn)13-15處于母材位置。最終測(cè)試得出,斷口位置的焊縫區(qū)域硬度為204-214HV，焊縫中間硬度為204-213HV，304管母材硬度為133-141HV，304管側(cè)的熔合線焊縫硬度為200-207HV，熱影響區(qū)硬度為144-150HV，奧氏體金屬材料管側(cè)的焊接斷口不同位置硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 奧氏體金屬材料管側(cè)斷口測(cè)試點(diǎn)

1.4 顯微組織和微區(qū)成分分析

在焊接斷口位置的兩側(cè)合金金屬管母材處和奧氏體金屬材料管側(cè)近斷口處，截取縱截面樣品進(jìn)行測(cè)試分析。打磨、拋光后，使用4%的硝酸酒精溶液對(duì)合金金屬管母材樣品進(jìn)行腐蝕，使用王水對(duì)奧氏體金屬材料管側(cè)的縱截面樣品進(jìn)行腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察顯微組織及微觀形貌。測(cè)試結(jié)果顯示，合金金屬管母材組織主要是鐵素體與珠光體，而珠光體的球化屬于3.5級(jí)，在焊接斷口的焊縫中心位置，其組織主要是柱狀晶奧氏體。而在奧氏體金屬材料管側(cè)的熔合線位置，因碳化物經(jīng)過(guò)聚集而形成了黑色條帶，處于近斷口的焊縫截面中，可以清晰看見(jiàn)沿晶界而分布的顯微裂紋。使用掃描電鏡深入觀察顯示，在奧氏體金屬材料管側(cè)的熔合線位置，黑色條帶區(qū)域內(nèi)存在受碳化物侵蝕而形成的圓形孔洞及長(zhǎng)條形孔洞，并且接近斷口的焊縫處有明顯的孔洞與孔洞連接產(chǎn)生的蠕變裂紋現(xiàn)象[2]。通過(guò)能譜儀對(duì)管側(cè)的熔合線位置黑色條帶與斷口附近的蠕變裂紋進(jìn)行微區(qū)成分分析和檢測(cè)，結(jié)果顯示管側(cè)熔合線處的孔狀位置內(nèi)含碳量較高，屬于富碳條帶層，近斷口的蠕變裂紋位置也存在較高的含碳量，奧氏體金屬材料管側(cè)的熔合線均有富碳層，并且此區(qū)域是合金金屬管側(cè)的熔合線位置。

使用掃描電子顯微鏡觀察奧氏體金屬材料管側(cè)和合金金屬管側(cè)的斷口形貌，結(jié)果如圖3所示。焊接兩側(cè)的斷口表面被氧化物覆蓋，無(wú)法分析微觀形貌。

圖3 奧氏體金屬材料管及合金金屬管斷口SEM形貌圖

2 斷裂原因

根據(jù)上述各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表明，再熱器使用的異種金屬管焊接接頭沿熔合線出現(xiàn)脆性斷裂的情況。焊接斷口位置的母材和焊縫金屬化學(xué)成分達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但是在奧氏體金屬材料管和焊縫的金屬以及合金金屬管間出現(xiàn)碳濃度梯度，為碳遷移提供基礎(chǔ)。合金金屬管母材組織主要是鐵素體與珠光體，而珠光體的球化屬于3.5級(jí)，進(jìn)而表明合金金屬管在高溫下長(zhǎng)期工作會(huì)產(chǎn)生組織球化的情況。奧氏體金屬材料管側(cè)的熔合線位置顯示黑色條帶，并且該位置還存在受侵蝕造成的圓形孔洞及長(zhǎng)條形的孔洞，在合金管側(cè)熔合線位置顯示由孔洞與孔洞連接而產(chǎn)生的蠕變裂紋。根據(jù)能譜儀的測(cè)試結(jié)果顯示，奧氏體金屬材料管側(cè)與合金金屬管的熔合線位置存在富碳層，進(jìn)而表明焊接的接頭位置在高溫下發(fā)生了碳遷移，并形成了富碳層。

3 結(jié)論

綜上分析可知，焊接的接頭位置沿合金管側(cè)的熔合線出現(xiàn)明顯脆性斷裂，焊接位置的接頭由于長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下工作，產(chǎn)生了碳擴(kuò)散及遷移的現(xiàn)象，由此造成合金金屬管側(cè)的熔合線位置集結(jié)大量碳化物，并沿晶界予以分布，形成了微觀蠕變的裂紋，降低了強(qiáng)度及韌性。同時(shí)，兩種不同金屬材質(zhì)的膨脹系數(shù)存在較大的差異，導(dǎo)致高溫環(huán)境下產(chǎn)生大量熱應(yīng)力，造成異種金屬焊接接頭在熱應(yīng)力及高溫蒸汽壓力作用下產(chǎn)生斷裂。

為了減少同類問(wèn)題的發(fā)生，建議通過(guò)割管的方式對(duì)使用中的異種金屬管接頭位置進(jìn)行定期現(xiàn)場(chǎng)抽查。例如，顯微組織及蠕變的檢查，及時(shí)更換有問(wèn)題的再熱器管，減少安裝現(xiàn)場(chǎng)異種金屬的焊接工作量，選擇制造車間進(jìn)行焊接，并在焊接后加以高溫回火處理，以此提高焊接接頭性能。