后屏過(guò)熱器異種鋼焊口爆管原因分析

摘要：采用化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、金相分析和掃描電鏡形貌及能譜分析等方法，對(duì)G102+TP304H后屏過(guò)熱器管爆管原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在高溫高壓工況及熱應(yīng)力作用下，管樣異種鋼焊接接頭G102側(cè)熔合線處因碳遷移形成了增碳層，G102母材韌性異常且該側(cè)熱影響區(qū)局部存在淬硬馬氏體組織，使熔合線處力學(xué)性能出現(xiàn)異常并產(chǎn)生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致G102側(cè)熔合線處發(fā)生開(kāi)裂和斷裂。

關(guān)鍵詞：異接焊口；過(guò)熱器；斷裂分析；TP304H；碳遷移

中圖分類號(hào)：TG115" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）16-0069-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.16.019

0" " 引言

異種鋼的焊接接頭，特別是珠光體耐熱鋼與奧氏體焊接接頭，一直是運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)[1]。

該類接頭在焊接熱循環(huán)的特殊作用以及高溫運(yùn)行過(guò)程中，因熱膨脹系數(shù)差而形成熱應(yīng)力和碳遷移等，導(dǎo)致焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等發(fā)生變化[2]。

某電廠#3爐后屏過(guò)熱器管異種鋼接頭發(fā)生爆管，至爆管時(shí)運(yùn)行約14 600 h，母材所使用的材料為TP304H+G102，接頭采用熱絲焊，焊絲為Incone182，為查找爆管原因，對(duì)斷裂異接管進(jìn)行了試驗(yàn)，分析其斷裂原因。

1" " 宏觀觀察分析

對(duì)斷裂異接管進(jìn)行宏觀觀察分析，管子無(wú)明顯的變形、鼓包，斷裂位置為焊接接頭的G102側(cè)熔合線位置，G102側(cè)斷口基本為焊接坡口輪廓形狀，焊縫側(cè)斷口可見(jiàn)明顯的焊縫熔敷金屬形貌，鋼管內(nèi)壁干凈無(wú)異常腐蝕情況。

2" " 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂異接管樣品的G102側(cè)母材、TP304H側(cè)母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明管樣焊縫兩側(cè)母材化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫金屬為鎳基材料，材料成分無(wú)明顯異常，結(jié)果如表1所示。

3" " 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)斷裂異接管的母材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每根管樣在向火面和背火面分別制取試樣，試驗(yàn)結(jié)果顯示兩種鋼管母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》[3]以及ASME-A213《鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》[4]標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)果如表2所示。

4" " 硬度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)異接管試驗(yàn)焊縫兩側(cè)母材、G102側(cè)熱影響區(qū)、TP304H側(cè)熱影響區(qū)分別進(jìn)行硬度試驗(yàn)。G102側(cè)熱影響區(qū)硬度值均明顯偏高，根據(jù)DL/T 752—2010《火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程》[5]標(biāo)準(zhǔn)，其硬度值不應(yīng)超出接頭兩側(cè)母材實(shí)際布氏硬度平均值30%，TP304H側(cè)熱影響區(qū)硬度值無(wú)明顯異常，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

5" " 金相分析結(jié)果

5.1" " G102、TP304H母材顯微組織分析

對(duì)G102和TP304H母材，取縱截面金相試樣，打磨拋光經(jīng)4%硝酸酒精和王水腐蝕后進(jìn)行金相分析，G102母材顯微組織均為回火貝氏體+少量析出相，貝氏體老化級(jí)別2.0～2.5級(jí)，TP304H母材顯微組織均為奧氏體，奧氏體組織老化級(jí)別3.5～4.0級(jí)，如圖1所示。

5.2" " G102側(cè)熔合區(qū)顯微組織分析

對(duì)異接管G102側(cè)熔合區(qū)進(jìn)行金相觀察，鋼管沿G102側(cè)熔合線出現(xiàn)斷裂，過(guò)熱區(qū)主要為粒狀貝氏體組織，局部有大量回火馬氏體組織，如圖2所示。

5.3" nbsp; TP304H側(cè)熔合區(qū)顯微組織分析

對(duì)TP304H側(cè)熔合區(qū)取縱向試樣，打磨拋光經(jīng)王水腐蝕后進(jìn)行金相分析，熱影響區(qū)TP304H母材組織為奧氏體，組織無(wú)明顯異常長(zhǎng)大，沿熔合線可見(jiàn)明顯黑色條帶，如圖3所示。

6" " 掃描電鏡形貌及能譜分析

對(duì)異接管的焊縫側(cè)斷口進(jìn)行掃描電鏡形貌觀察，可見(jiàn)斷口表面均被氧化物等覆蓋，無(wú)法分辨斷口微觀形貌特征，斷口斷面輪廓基本與坡口形狀一致，如圖4所示。

對(duì)管樣裂紋截面金相鑲嵌試樣進(jìn)行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析，從圖片可見(jiàn)裂紋基本沿G102和焊縫金屬之間的熔合線擴(kuò)展，主裂紋焊縫側(cè)可見(jiàn)大量沿晶開(kāi)裂的微裂紋，如圖5所示。

對(duì)管樣沿熔合線分布的條狀碳化物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示條狀碳化物碳含量達(dá)0.9wt%，對(duì)管樣焊縫近主裂紋處、條狀碳化物、焊縫基體分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果顯示主裂紋焊縫側(cè)附近存在明顯碳集聚，如圖6、表4所示。

7" " 原因分析

綜上分析，后屏過(guò)熱器管樣G102鋼管母材碳含量均明顯高于焊縫金屬和不銹鋼管母材，焊接接頭不同材料之間存在明顯的碳濃度梯度，在高溫高壓服役工況下，后屏過(guò)熱器管異種鋼焊接接頭的G102側(cè)碳向焊縫方向遷移，并在熔合線處集聚形成增碳層；管樣G102側(cè)熱影響區(qū)局部存在淬硬馬氏體組織，導(dǎo)致該處力學(xué)性能較差；同時(shí)不銹鋼與合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)差別較大，在高溫環(huán)境下形成較大熱應(yīng)力；在高溫高壓工況及熱應(yīng)力的綜合作用下該異種鋼焊接接頭沿G102側(cè)熔合線產(chǎn)生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致管樣焊接接頭G102側(cè)熔合線處出現(xiàn)開(kāi)裂和斷裂。

8" " 總結(jié)及預(yù)防措施

本次#3機(jī)組后屏過(guò)熱器爆管原因?yàn)椋涸诟邷馗邏汗r及熱應(yīng)力作用下，異種鋼焊接接頭G102側(cè)熔合線處因碳遷移形成了增碳層，G102側(cè)熱影響區(qū)局部存在淬硬馬氏體組織，使熔合線處力學(xué)性能出現(xiàn)異常并產(chǎn)生了沿晶微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致G102側(cè)熔合線處發(fā)生開(kāi)裂和斷裂。為了避免同類型事故再次發(fā)生，提出以下建議：1）建議加強(qiáng)對(duì)該爐后屏過(guò)熱器管的檢查和檢驗(yàn)，并做好該爐此類過(guò)熱器管的更換計(jì)劃，及時(shí)實(shí)施更換。2）盡量在制造車間完成不銹鋼管與合金鋼管的異種鋼焊接，減少鍋爐安裝現(xiàn)場(chǎng)的異種鋼焊接，以更好地保證焊接質(zhì)量。3）異種鋼焊接前應(yīng)將焊面及附近區(qū)域污物清理干凈，采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝，并由熟練焊工進(jìn)行焊接，保證焊接質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 何衛(wèi)忠，蔡永江.高溫再熱器管異種鋼焊接接頭失效分析[J].水利電力機(jī)械，2006（6）：47-49.

[2] 劉立營(yíng)，李太江，劉福廣，等.TP304H+12Cr1MoV異種鋼焊接接頭的界面蠕變損傷行為[J].焊管，2013（10）：31-35.

[3] 高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管：GB/T 5310—2017[S].

[4] 鍋爐、過(guò)熱器和換熱器用無(wú)縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子：ASME-A213[S].

[5] 火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術(shù)規(guī)程：DL/T 752—2010[S].

收稿日期：2024-04-07

作者簡(jiǎn)介：汪龍平（1981—），男，安徽人，碩士研究生，工程師，主要從事電廠金屬材料方面的工作。