分享：高温过热器T91/TP347H异种钢焊接接头断裂失效分析

摘 要:某电厂超临界火电锅炉的高温过热器管在服役约４×１０４ h后,T９１/TP３４７H 异种钢焊 接接头 T９１钢管侧出现环向断裂事故.通过宏观检查、结构分析、化学成分分析、金相检验及硬度 测试等方法,对该焊接接头断裂失效的原因进行了分析.结果表明:焊接接头的 T９１钢管侧内壁 车削后的厚度小于钢管的最小需要壁厚,该处钢管过量车削后的结构造成的工质流动变化引起了 局部超温,材料加速老化,钢管强度下降;T９１钢管侧热影响区由于强度不足而发生胀粗,产生蠕 变裂纹,裂纹在轴向应力的作用下不断扩展,最终引起钢管环向断裂. 

关键词:异种钢;焊接接头;环向断裂;过量车削;热胀应力 

中图分类号:TK２２３．３;TG４０７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０１Ｇ００６７Ｇ０４

近年来,为了减少二氧化碳等温室气体的排放、 保护环境、节约一次能源及提高热效率,火力发电厂 正在逐步建设大容量超(超)临界机组.而随着火力 发电厂机组参数的不断提高,以 T９１,T９２为代表的 铁素体耐热钢及 TP３４７H,Super３０４H 为代表的奥氏 体耐热钢在电站建设中的应用越来越多,因而这些新 型耐热钢间的同种钢、异种钢焊接不可避免[１Ｇ３]. 某电厂超临界火电锅炉机组的高温过热器部件 服役约４×１０４h后,高温过热器 T９１/TP３４７H 异种 钢焊接接头发生断裂事故,笔者通过一系列理化检 验分析其失效原因,以避免类似事故重复发生.

１ 理化检验 

１．１ 宏观检查 

图１为断裂失效的高温过热器 T９１/TP３４７H 异种钢焊接 接 头 的 宏 观 形 貌,断 裂 发 生 在 焊 接 接 头的 T９１钢管侧热影响区位置,断口呈斜坡状,由 图１a)可见断口附近钢管明显胀粗,断裂处管内外 壁均有龟裂 纹 存 在,龟 裂 纹 扩 展 方 向 为 钢 管 轴 向和周向.断 口 截 面 上 有 明 显 的 氧 化 皮 存 在,说 明 裂纹的扩展经历了一个较长的过程.靠近内壁的 断口边缘局 部 保 留 有 金 属 光 泽,说 明 钢 管 裂 纹 由 外壁 向 内 壁 扩 展.T９１ 钢 管 一 侧 距 离 断 口 约 １５mm 的位置有明 显 的 车 削 平 台,形 成 一 个 较 大 的变截面.

１．２ 结构分析 

图２为焊接接头的结构示意图,可见 T９１钢管 侧母材的规格为?４４．５mm×９．６mm,TP３４７H 钢 管侧母材的规格为?４４．５mm×７．５mm,两段管材 壁厚相差２．１mm.焊接时对 T９１钢管侧内壁进行 了车削,车削后的剩余厚度仅有５．３mm 左右,存在 过量车削现象.查阅相关强度计算书,该钢管的最 小需要壁厚为６．１４mm,可见车削后的钢管厚度已 经小于钢管的最小需要壁厚.

１．３ 化学成分分析 

利用SPECTRO TEST 全定量直读光谱仪对 发生断裂的 T９１钢管进行了化学成分分析,结果见 表１.由表 １ 可见,T９１ 钢管的化学成分符合 GB ５３１０－２００８«高压锅炉用无缝钢管»[４]的要求. 

１．４ 金相检验 

在 T９１钢管侧断裂位置截取试样,经磨制、抛 光后,采用 FeCl３溶液进行侵蚀,然后在 ZeissAxio ObserverA１m 型金相显微镜下观察金相试样的显 微组织形貌. 

图３为 T９１钢管侧断口附近的显微组织形貌. 由图３a)可见断裂位置为 T９１钢管侧热影响区位 置,距 T９１钢管侧熔合线约４mm.图３b)和图３c) 显示断口边缘显微组织为铁素体＋碳化物,箭头所 示为机械变形导致拉长的蠕变孔洞,碳化物析出聚 集,部分碳化物呈块状.宏观检查中发现管内壁有 一圈车削减薄的痕迹,由图３d)可见车削位置平均 剩余壁厚约为５．３mm.由图３e)可见车削位置管内 壁有均匀分布的氧化皮,平均厚度约为０．１３mm,显 微组织为铁素体＋碳化物.

图４为 T９１钢管侧距断口１００ mm 位置的显 微组织形貌.由图４a),b)可见,管内壁存在平均厚 度约０．３３ mm 的氧化皮,管外壁存在平均厚度约 ０．１５mm的氧化皮.由图４c),d)可见,钢管壁厚方 向中间位置的显微组织为铁素体＋碳化物,马氏体 完全分解,碳化物明显聚集长大.

１．５ 硬度测试 

采用 HBWＧ３０００型布氏硬度计对焊接接头进 行硬度测试,加载载荷为１８３８．７N(１８７．５kgf),加 载时间为１０s,测试位置为图２中的７处位置,测试 结果见表２.结果显示,T９１钢管侧硬度低于 DL/T ４３８－２０１６«火力发电厂金属技术监督规程»[５]要求 的下限,TP３４７H 钢管侧硬度符合标准要求.

２ 分析与讨论 

该焊接接头的失效表现为 T９１钢管侧热影响 区整圈断裂,断口呈斜坡状,断口附近钢管明显胀粗,断裂处管内外壁均有龟裂纹存在,宏观表现为长 期超温爆管特征. 

焊接接头两侧钢管壁厚差别较大,焊接时对较 厚的 T９１钢管进行了内壁车削,而车削过程控制不严格导致内壁过量车削,使钢管剩余壁厚小于钢管 的最小需要壁厚.钢管车削加工后,介质经过由车 削形成的台阶时,介质流场有较大的改变,造成车削 段内壁介质流速减小,冷却能力下降,从而造成局部 温度较大幅度提高[６],加速了钢管老化的速度,钢管 强度急剧下降.钢管开裂位置在 T９１钢管侧焊接 热影响区,断口边缘组织老化严重,附近有受到机械 作用而拉长的蠕变孔洞,钢管开裂的性质为蠕变断 裂.距离断口１００mm 附近的显微组织中马氏体完 全分解为铁素体＋碳化物,硬度低于标准要求的下 限,进一步验证了钢管经历了长时间超温运行.

异种钢焊接接头的两侧材料为马氏体不锈钢和 奥氏体不锈钢,两侧弹性模量和热膨胀系数有较大 差异,使得焊接接头在机组启停冷热交替过程中存 在轴向热胀应力[７],而车削加工位置本身厚度不足, 加上超温导致材料加剧老化,在长期运行条件下钢 管在最薄弱的车削位置发生断裂失效.

３ 结论及建议

该高温过热器异种钢焊接接头在 T９１钢管侧 发生断裂,原因是 T９１钢管内壁过量车削造成钢管 壁厚小于最小需要壁厚,同时该处钢管超温运行,管 材加速老化,强度下降.焊接接头 T９１钢管侧热影 响区由于强度不足而发生蠕变胀粗,并在轴向应力的作用下在过量车削位置发生环向断裂. 

建议加强监督焊口的安装施工过程,避免管壁 过量车削;加大检修过程的检查力度,对于钢管车削 过量的焊接接头进行更换;加强运行监控,防止超温 运行导致管材加速老化.

参考文献: 

[１] 孙伟,葛 萍, 秦 萍 丽, 等．SAＧ２１３T９１ ＋ SAＧ ２１３TP３４７H 异种 钢 接 头 失 效 分 析 [J]．锅 炉 制 造, ２０１５(２):２７Ｇ２９． 

[２] 蒙新明,张路,赖云亭,等．某超临界机组锅炉过热器 管爆管原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１ (５):３５３Ｇ３５５． 

[３] 卢书媛,王卫忠,俞璐,等．锅炉过热器管爆裂原因分 析[J]．理化检验(物理分册),２０１６,５２(１１):８０７Ｇ８０９． 

[４] GB５３１０－２００８ 高压锅炉用无缝钢管[S]． 

[５] DL/T４３８－２０１６ 火 力 发 电 厂 金 属 技 术 监 督 规 程 [S]． 

[６] 郑坊平,马红,王弘喆,等．T９１/TP３４７H 高温再热器 管焊缝开裂原因分析[J]．热力发电,２０１１,４０(１１): ９５Ｇ９９． 

[７] 凌伟,葛辽海,任 振 安,等．马 氏 体 和 奥 氏 体 不 锈 钢 TIG焊端 接 接 头 失 效 分 析 [J]．焊 接 学 报,２００７,２８ (５):８９Ｇ９２． 

<文章来源  > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 54卷 > 1期 (pp:67-70)>