摘要：電廠鍋爐受熱面管屏失效類型多種多樣，其中異種鋼焊接接頭開裂泄漏是受熱面管屏泄漏的一種常見原因。異種鋼焊接接頭出現(xiàn)失效較多的是鐵素體鋼與奧氏體鋼的焊接接頭，此類焊接接頭多采用鎳基焊絲。其成分與焊接接頭兩側(cè)的母材差異較大，尤其鐵素體一側(cè)的熔合線兩側(cè)會(huì)形成一種異質(zhì)界面。該異質(zhì)界面兩側(cè)由于相成分的差異，其結(jié)合力較弱;兩側(cè)材料的熱膨脹系數(shù)不同，機(jī)組熱負(fù)荷變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力;兩側(cè)材料化學(xué)電位存在差異，在腐蝕性環(huán)境中易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

　　關(guān)鍵詞：異種鋼; 焊接接頭; 失效

　　引言

　　超超臨界火電機(jī)組因具有高效、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)，從而獲得世界各國(guó)的廣泛重視與發(fā)展。在火電機(jī)組運(yùn)行過程中，其內(nèi)部高溫過熱器、高溫再熱器等高溫部件不同區(qū)段蒸汽壓力和溫度不同，使得其在電廠鍋爐結(jié)構(gòu)中大量采用T91/TP347H等異種鋼焊接接頭。然而，異種鋼焊接接頭服役條件苛刻，隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)組織老化，性能發(fā)生劣化，進(jìn)而埋下事故的隱患。因此，為了保證電廠鍋爐的安全運(yùn)行，對(duì)異種鋼焊接接頭組織與性能的演變規(guī)律開展研究具有重要意義。

　　焊接論文范例：鋁合金焊接加工工藝及焊接裂紋的防治措施

　　1T91鋼側(cè)HAZ細(xì)晶區(qū)開裂

　　(1)失效部件整體形貌。異種鋼焊接接頭若一側(cè)管材為T91鋼，則T91鋼側(cè)HAZ細(xì)晶區(qū)常為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)，常出現(xiàn)開裂失效。某機(jī)組高溫過熱器存在異種鋼焊接接頭，接頭兩側(cè)的母材分別為TP347鋼和T91鋼。在投運(yùn)后約3.6萬h在T91鋼側(cè)出現(xiàn)環(huán)向裂紋。裂紋約一半圓周長(zhǎng)，距離T91鋼側(cè)熔合線2～3mm。(2)金相分析。在焊接接頭處取樣做金相分析，可以發(fā)現(xiàn)裂紋貫穿整個(gè)壁厚，從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，浸蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋位于細(xì)晶區(qū)與不完全重結(jié)晶區(qū)交界處;細(xì)晶區(qū)有少量蠕變孔洞及裂紋，裂紋兩側(cè)則有大量蠕變孔洞及裂紋，組織均為回火索氏體，馬氏體位向不可見;遠(yuǎn)離裂紋的母材組織為回火馬氏體。

　　2異種鋼焊接

　　2.1試驗(yàn)材料與方法

　　試驗(yàn)材料為服役10年的T91/TP347H的異種耐熱鋼管焊接接頭，對(duì)該接頭在750℃下進(jìn)行高溫時(shí)效處理，時(shí)效處理時(shí)間分別為0、150、300和450h。利用LeicaDMI3000M型光學(xué)顯微鏡和HitachiSU8010型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)焊接接頭各區(qū)域的微觀組織進(jìn)行觀察;通過能譜儀對(duì)析出物進(jìn)行成分分析;采用MHVD-1000IS型顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭各區(qū)域進(jìn)行硬度測(cè)試;測(cè)試焊接接頭的室溫拉伸性能的設(shè)備是Z330E電子拉力試驗(yàn)機(jī)。

　　2.2預(yù)熱溫度和層間溫度

　　預(yù)熱溫度的選擇受到母材板厚、母材碳當(dāng)量、焊材擴(kuò)散氫含量和焊接線能量的多重影響。通常情況下，預(yù)熱溫度隨著母材板厚、母材碳當(dāng)量和焊材擴(kuò)散氫含量的增大而增大，隨著焊接線能量的增加而減小。本焊接接頭的預(yù)熱溫度通過查表法來確定，查表法在ISO/TR17671-2和AWSD1.1/D1.5中均有敘述。

　　(1)母材板厚按照30mm作為界限，可以覆蓋所有產(chǎn)品板厚;(2)碳當(dāng)量按照20Cr標(biāo)準(zhǔn)上限化學(xué)成分CEV=0.57來考慮，這樣可以覆蓋所有碳當(dāng)量的母材。Q460C的碳當(dāng)量小于20Cr，接頭兩側(cè)都執(zhí)行同一預(yù)熱溫度;(3)由于選用的是實(shí)心焊絲，擴(kuò)散氫等級(jí)≤5mL/100g;(4)焊接線能量按照最小0.5kJ/mm來執(zhí)行，實(shí)際編寫焊接工藝時(shí)也要嚴(yán)格按照線能量大于此數(shù)值。綜合上述條件，經(jīng)查表，預(yù)熱溫度定為175℃。層間溫度過高會(huì)引起熱影響區(qū)晶粒粗大，使焊縫強(qiáng)度及低溫沖擊韌性下降，故層間溫度控制在175～250℃。

　　3失效原因分析

　　從裂紋位置及裂紋處的顯微組織判斷，該裂紋屬于典型的Ⅳ型裂紋。產(chǎn)生Ⅳ型裂紋需具備組織和應(yīng)力2個(gè)條件。在組織方面，由于細(xì)晶區(qū)處于焊接熱循環(huán)的Ac1～Ac3溫度區(qū)間，焊接冷卻后形成的馬氏體組織并不穩(wěn)定，在焊后熱處理時(shí)(根據(jù)組織硬度判斷該接頭T91鋼側(cè)進(jìn)行了焊后熱處理)，這種馬氏體容易分解，形成鐵素體+碳化物組織，高溫運(yùn)行時(shí)該組織蠕變強(qiáng)度低，在一定應(yīng)力下容易出現(xiàn)蠕變孔洞及裂紋。

　　4試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　4.1T91/TP347H焊接接頭微觀組織分析

　　對(duì)焊接接頭進(jìn)行高溫時(shí)效處理后的焊縫組織。可以看出，組織為奧氏體+鐵素體的雙相組織，奧氏體呈樹枝晶分布，鐵素體沿枝晶間形成，鐵素體內(nèi)含Cr量高，可以防止晶界貧鉻區(qū)的出現(xiàn)，從而使焊縫具有一定的抗晶間腐蝕能力。此外，晶內(nèi)分布著少量細(xì)小彌散的析出物，可以起到強(qiáng)化作用，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，析出物沒有發(fā)生粗化，γ+δ雙相組織基本穩(wěn)定。

　　可以看出，組織主要為回火馬氏體，隨著時(shí)效處理時(shí)間的增加，晶粒尺寸從時(shí)效處理0h時(shí)的11～20μm逐漸增加到時(shí)效處理450h時(shí)的34～47μm，晶粒尺寸變化明顯。此外，由于時(shí)效處理溫度較高，馬氏體板條內(nèi)部位錯(cuò)密度逐漸減小，位錯(cuò)強(qiáng)化效果減弱。析出物分布在晶內(nèi)和晶界，逐漸聚集長(zhǎng)大，發(fā)生粗化，數(shù)量先增多后減少，第二相強(qiáng)化效果減弱，組織老化程度逐漸嚴(yán)重，當(dāng)時(shí)效處理450h時(shí)析出物粗化明顯，組織達(dá)到了中度老化。

　　4.2焊接質(zhì)量

　　異種鋼接頭焊絲材料一般為鎳基焊材，其成分與T91，12Cr1MoV等鐵素體鋼的差別很大，晶格結(jié)構(gòu)也不同，因此其組織性能差別也較大，在受到外部應(yīng)力時(shí)協(xié)調(diào)變形能力較差，必然會(huì)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。此外，焊接過程可能會(huì)引起第一類碳遷移，使焊縫側(cè)出現(xiàn)高硬層(增碳和馬氏體過渡層)，帶來新的組織性能的不均勻性。焊后熱處理能夠降低硬度梯度，降低應(yīng)力集中，但對(duì)于9Cr鋼來說，會(huì)增加Ⅳ型裂紋的風(fēng)險(xiǎn);此外，經(jīng)過焊后熱處理的一些異種鋼接頭也頻頻出現(xiàn)斷裂。異種鋼接頭斷裂案例中發(fā)現(xiàn)了較多的碳遷移現(xiàn)象，但很大一部分?jǐn)嗔寻咐�中并未發(fā)現(xiàn)明顯增碳現(xiàn)象。因此不進(jìn)行焊后熱處理和碳擴(kuò)散并不是異種鋼接頭斷裂的主要原因。

　　4.3焊縫金相分析

　　對(duì)樹葉、外環(huán)和焊縫進(jìn)行采樣，并用金顯微鏡觀察織物。導(dǎo)板和隔板外圈的微觀組織主要是非晶背風(fēng)，焊縫分為機(jī)車和鐵。與葉片母公司相比，外環(huán)返回火星后薄板，組織結(jié)晶度不明顯，電路板之間存在薄合法碳顆粒。導(dǎo)板螺母?jìng)?cè)的熱膨脹范圍較粗，關(guān)節(jié)部位較弱，在多種應(yīng)力下會(huì)導(dǎo)致蟲洞變形、蟲洞擴(kuò)大、裂紋連接，最后導(dǎo)致關(guān)節(jié)破裂。由于鈑金和外部環(huán)連接的組織和力性能不一致，焊縫界面中根部強(qiáng)度的差異，葉片在機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)所處的環(huán)境，以及護(hù)欄和焊縫界面中較高的熱應(yīng)力，葉片比外部環(huán)焊縫更容易受到根部損傷的影響，從而導(dǎo)致焊縫性能更快地下降并需要改變孔。

　　4.4運(yùn)行環(huán)境

　　有案例表明，內(nèi)壁或外壁熔合線處的氧化可能是異種鋼接頭斷裂的原因之一。由于焊縫和鐵素體側(cè)母材的成分差異，其抗高溫氧化性和蒸汽側(cè)氧化性能也存在巨大差別，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，會(huì)在熔合線鐵素體側(cè)選擇性氧化，形成缺口，在應(yīng)力、疲勞的交互作用下逐漸開裂，失效案例中大多斷口都存在氧化膜證明了這一點(diǎn)。此外，較高的環(huán)境溫度會(huì)加速熔合線附近材料的氧化和老化蠕變，因此高溫?zé)煔鈧?cè)異種鋼接頭出現(xiàn)問題的概率較高，一般建議將爐內(nèi)高溫管屏的異種鋼接頭設(shè)置在頂棚上方。

　　結(jié)束語

　　(1)異種鋼焊接接頭容易在T91鋼側(cè)的熱影響細(xì)晶區(qū)出現(xiàn)裂紋，該區(qū)域在焊后熱處理后，高溫蠕變強(qiáng)度降低，受外力后容易開裂。(2)常見的異種鋼接頭失效主要為沿鐵素體側(cè)熔合線開裂，焊接質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)的異常均有可能導(dǎo)致或加速異種鋼接頭的開裂。

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　　作者簡(jiǎn)介：王進(jìn)寶