超超臨界鍋爐末級(jí)過(guò)熱器異種鋼接頭機(jī)械性能分析

周公文* 展西國(guó) 蘇光軍

（泰安市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院）

0 引言

某火電廠(chǎng)超超臨界燃煤機(jī)組在停機(jī)檢修時(shí)，其中1 000 MW燃煤鍋爐末級(jí)過(guò)熱器受熱面鋼管材質(zhì)為SA-213T92及SA-213TP310HCbN，該管道的規(guī)格為57 mm×12 mm。SA-213T92鋼是在SA-213T91鋼研究的基礎(chǔ)上，使Mo元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至0.6%以下，并添加2%W元素，確保Mo當(dāng)量與SA-213T91鋼相當(dāng)，Mo與W元素可顯著提高SA-213T92鋼的高溫持久強(qiáng)度，且微量B元素可顯著增強(qiáng)SA-213T92鋼的熱強(qiáng)性和持久塑性，并提高鋼的淬透性[1-2]。通過(guò)將Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至25%，可以提高N元素的溶解度并使奧氏體組織穩(wěn)定，N元素與Cr，Nb元素形成氮化物可顯著提高TP310HCbN鋼的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性[2]，使TP310HCbN奧氏體鋼適用于700 ℃以上的高溫環(huán)境。本文對(duì)該鍋爐末級(jí)過(guò)熱器異種鋼接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）進(jìn)行割管檢驗(yàn)及分析，該異種鋼對(duì)接接頭截至2019年2月累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為4.5萬(wàn)h。

本文對(duì)該割管檢驗(yàn)的末級(jí)過(guò)熱器異種鋼接頭進(jìn)行了理化檢驗(yàn)分析，該對(duì)接接頭在SA-213TP310HCbN材料側(cè)內(nèi)壁位置處存在兩處加工坡口，一處坡口位置倒角角度接近90°，且兩坡口位置處均存在車(chē)削損傷缺陷。本文通過(guò)宏觀(guān)檢查、金相組織分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、強(qiáng)度校核、硬度試驗(yàn)該對(duì)接接頭的老化程度、機(jī)械性能狀況及SA-213TP310HCbN側(cè)母材車(chē)削加工后的強(qiáng)度情況進(jìn)行了分析，并通過(guò)掃描電鏡分析、能譜分析得到打底焊區(qū)域組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素成分，進(jìn)而綜合分析焊接接頭性能，根據(jù)分析結(jié)果給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)儀器

在末級(jí)過(guò)熱器異種鋼對(duì)接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）處切取并鑲嵌金相試樣，金相試樣經(jīng)磨制拋光后，采用三氯化鐵鹽酸水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，采用Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡對(duì)對(duì)接接頭位置的坡口加工情況及金相組織形態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。在該對(duì)接接頭位置按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求切取3個(gè)拉伸試樣，在UTM5105 50KN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)該材料進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)。采用HBE-3000A布氏硬度計(jì)金相試樣進(jìn)行檢測(cè)，在612.5 N的載荷下加載10 s，對(duì)試樣的焊縫及兩側(cè)母材、熱影響區(qū)進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)。采用HMV-G型顯微維氏硬度計(jì)，在200 g載荷下，對(duì)金相試樣打底焊及臨近焊縫和SA-213TP310HCbN母材區(qū)域進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，檢測(cè)打底焊部位的顯微硬度與附近焊縫和SA-213TP310HCbN母材的顯微硬度差異情況。采用Carl Zeiss Sigma300型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及牛津能譜儀檢測(cè)打底焊區(qū)域和附近TP310HCbN母材以及焊縫的化學(xué)元素成分，檢測(cè)化學(xué)元素成分變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 宏觀(guān)檢查

圖1為該末級(jí)過(guò)熱器對(duì)接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）宏觀(guān)形貌及其示意圖。從圖1中可以看出，對(duì)接接頭SA-213TP310HCbN內(nèi)壁側(cè)存在兩處加工坡口位置，坡口1位置處于異種鋼對(duì)接接頭SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁，車(chē)削后壁厚由12.5 mm減薄到11.8 mm，坡口倒角接近90°。2位置內(nèi)壁車(chē)削后剩余實(shí)測(cè)壁厚為8.4 mm，坡口倒角約為120°。兩處坡口位置均未見(jiàn)明顯的圓滑過(guò)渡處理。

圖1 末級(jí)過(guò)熱器對(duì)接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）宏觀(guān)形貌及示意圖

2.2 強(qiáng)度校核計(jì)算

該末級(jí)過(guò)熱器異種鋼接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）的設(shè)計(jì)溫度為605 ℃，設(shè)計(jì)壓力為26.15 MPa，根據(jù)GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐 第4部分:受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)中10.2條要求，對(duì)該異種鋼接頭車(chē)削加工后的SA-213TP310HCbN最小需要厚度 進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：

SA-213TP310HCbN在610 ℃時(shí)105h的持久強(qiáng)度平均值為151 MPa。計(jì)算可得該末級(jí)過(guò)熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)母材的計(jì)算厚度為4.54 mm。

管道最小需要壁厚 為：

則該末級(jí)過(guò)熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)母材最小需要壁厚應(yīng)為5.04 mm。強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果顯示，該末級(jí)過(guò)熱器管SA-213TP310HCbN側(cè)車(chē)削加工后的最小壁厚仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.3 金相組織檢驗(yàn)

圖2為該對(duì)接接頭的金相組織形貌。從圖2中可見(jiàn)，SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁坡口位置存在4.2 mm厚的打底焊焊接過(guò)渡層，打底焊區(qū)域金相組織為奧氏體鑄態(tài)組織，呈胞狀晶結(jié)構(gòu)，晶內(nèi)存在大量析出相，且呈條帶狀析出。SA-213TP310HCbN側(cè)熱影響區(qū)存在少量孿晶，母材為單相奧氏體，金相組織未見(jiàn)異常，但內(nèi)壁處存在明顯車(chē)削加工殘留缺陷，車(chē)削位置附近的晶粒內(nèi)存在少量孿晶，為車(chē)削加工產(chǎn)生的形變孿晶。SA-213T92側(cè)熱影響區(qū)金相組織可見(jiàn)明顯的過(guò)熱區(qū)、粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)，粗晶區(qū)中大量M23C6型碳化物粒子從基體中析出，彌散分布在原馬氏體板條上，起彌散強(qiáng)化作用[3-4]，接近熔合線(xiàn)的過(guò)熱區(qū)未見(jiàn)明顯的塊狀δ鐵素體相，管道內(nèi)壁有厚約0.24 mm的氧化皮，母材的金相組織為回火索氏體，局部區(qū)域仍存在馬氏體位向，晶粒內(nèi)碳化物粒子呈彌散分布，碳化物粒子細(xì)小均勻，金相組織未見(jiàn)異常。

圖2 末級(jí)過(guò)熱器接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）金相組織形貌

2.4 力學(xué)性能檢驗(yàn)

表1所示為該對(duì)接接頭拉伸試驗(yàn)性能試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足SA-213T92，SA-213TP310HCbN標(biāo)準(zhǔn)要求，而延伸率嚴(yán)重低于GB/T 5310—2017《高壓鍋爐無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SA-213T92及SA-213TP310HCbN要求下限。該接頭3個(gè)拉伸試樣的斷裂位置均位于SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁坡口變截面處，該位置為車(chē)削加工形成的近90°直角變截面，試樣拉伸時(shí)變截面位置為應(yīng)力集中區(qū)域，使該接頭在拉伸頸縮階段局部區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，從而導(dǎo)致試樣在變截面應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生斷裂。試樣在室溫條件下的顯微硬度值和布氏硬度值可見(jiàn)表2和表3。試驗(yàn)結(jié)果顯示：對(duì)接接頭兩側(cè)母材硬度值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，兩側(cè)熱影響區(qū)的硬度均高于同側(cè)母材硬度值，這主要是由于焊接接頭熱處理時(shí)析出強(qiáng)化[1]，但打底焊位置的硬度值略低于焊縫和SA-213TP310HCbN基體的硬度值。

表1 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表2 顯微維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

表3 布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.5 能譜分析

圖3為SA-213TP310HCbN側(cè)SEM圖、能譜圖及元素成分?jǐn)?shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：打底焊區(qū)域元素含量與SA-213TP310HCbN基體及對(duì)接焊縫位置均存在明顯差異。該接頭焊縫采用打底焊結(jié)合蓋面焊的焊接方法，但打底焊與蓋面焊選用了兩種不同型號(hào)的焊材。根據(jù)能譜數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，打底焊選用的焊絲為S385型焊絲[5]，填充焊選用的焊絲為ERNiCrMo-3型鎳基焊絲。

圖3 末級(jí)過(guò)熱器對(duì)接接頭SA-213TP310HCbN側(cè)SEM圖和能譜圖

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

該末級(jí)過(guò)熱器對(duì)接接頭采用的是打底焊結(jié)合填充焊的焊接形式，分別采用兩種不同型號(hào)的焊絲進(jìn)行焊接，先采用S385型焊絲打底，后采用ERNiCrMo-3型鎳基焊絲進(jìn)行填充蓋面。因?qū)庸軓揭?guī)格存在差異，焊接前對(duì)SA-213TP310HCbN側(cè)管道內(nèi)壁進(jìn)行了坡口加工處理，但未對(duì)坡口表面加工殘留缺陷及坡口倒角進(jìn)行處理就實(shí)施了對(duì)接焊。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該對(duì)接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）兩側(cè)母材金相組織和硬度值未見(jiàn)異常，但接頭處SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁存在近表面加工缺陷。SA-213T92側(cè)內(nèi)壁有厚約0.24 mm的氧化皮，這是受熱面管道在運(yùn)行中氧化產(chǎn)生的。接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿(mǎn)足兩側(cè)母材標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，拉伸試樣的斷裂位置均處于SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁加工坡口近90°變截面位置，斷后伸長(zhǎng)率嚴(yán)重低于標(biāo)準(zhǔn)要求。車(chē)削后SA-213TP310HCbN受熱面管道壁厚經(jīng)強(qiáng)度校核后可知，車(chē)削加工后的剩余厚度仍滿(mǎn)足使用要求。

該接頭斷后伸長(zhǎng)率嚴(yán)重低于標(biāo)準(zhǔn)要求，使接頭在拉伸頸縮初期階段即發(fā)生斷裂，且斷裂位置均處于加工坡口近90°的變截面位置，該變截面位置在拉伸試驗(yàn)中處于拉應(yīng)力集中區(qū)域，在拉伸作用下產(chǎn)生塑性變形，且局部變形較嚴(yán)重，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度急劇下降，從而發(fā)生斷裂。且車(chē)削表面存在殘留缺陷及表面殘余應(yīng)力場(chǎng)[6]，在拉伸過(guò)程中會(huì)加速變截面位置處微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，從而導(dǎo)致試樣在變截面應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生斷裂。

該末級(jí)過(guò)熱器接頭SA-213TP310HCbN側(cè)母材內(nèi)壁由12.5 mm車(chē)削加工至11.8 mm，尺寸變化雖然較小，且車(chē)削后剩余壁厚完全滿(mǎn)足使用要求，但車(chē)削后產(chǎn)生的近90°變截面成為了新的應(yīng)力集中區(qū)，削弱了接頭的結(jié)構(gòu)性能，使得接頭延伸率不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。且車(chē)削加工表面的殘留缺陷及表面殘余應(yīng)力未去除，使得試樣在拉伸頸縮初期階段產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展，在90°變截面的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生局部區(qū)域嚴(yán)重塑性變形導(dǎo)致斷裂。

3 結(jié)論

該末級(jí)過(guò)熱器對(duì)接接頭（SA-213T92/SA-213TP310HCbN）選用S385型焊絲打底，采用ERNiCrMo-3型鎳基焊絲進(jìn)行填充蓋面，焊縫兩側(cè)金相組織和硬度值未見(jiàn)異常，但接頭SA-213TP310HCbN側(cè)內(nèi)壁表面存在兩處加工坡口，加工表面均存在車(chē)削殘留缺陷，且接頭處SA-213TP310HCbN側(cè)近焊縫區(qū)有1處接近90°的加工倒角，該處變截面位置增大了對(duì)接接頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度，削弱了接頭的結(jié)構(gòu)性能，使得接頭的拉伸性能無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

超超臨界鍋爐末級(jí)過(guò)熱器異種鋼對(duì)接接頭在機(jī)組啟停及運(yùn)行過(guò)程中，長(zhǎng)期承受拉應(yīng)力、振動(dòng)載荷及熱疲勞作用，因此接頭位置為受熱面的薄弱環(huán)節(jié)，接頭兩端的預(yù)處理及焊接質(zhì)量決定受熱面的使用安全。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)接頭兩側(cè)的坡口進(jìn)行車(chē)削加工處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制加工倒角角度，避免坡口直角倒角過(guò)渡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，并對(duì)車(chē)削加工表面進(jìn)行表面處理，對(duì)倒角處進(jìn)行圓滑處理，消除倒角位置處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域及車(chē)削加工表面缺陷和殘余應(yīng)力場(chǎng)[6]，再進(jìn)行對(duì)接焊處理。