超超临界机组高温过热器出口异种钢焊缝裂纹原因分析

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128 科学与信息化2023年4月上
超超临界机组高温过热器出口异种钢焊缝裂纹原因分析
朱子豪
国家能源集团泰州发电有限公司 江苏 泰州 225300
摘 要 本文通过对高温过热器出口开裂的异种钢接头进行宏观检查、金相组织检测、扫描电镜等分析，发现主裂纹沿周向断续分布，主裂纹和连接裂纹内部均含有大量氧化物，裂纹沿树枝晶界扩展，说明裂纹是在凝固过程中产生。

通过综合分析，判断裂纹产生原因主要为制造过程和焊接过程中存在热输入偏大造成。

关键词 超超临界；T92钢；Super304H；异种钢接头；失效分析
Cause Analysis of Weld Crack of Dissimilar Steel at Outlet of Ultra-supercritical Unit High Temperature Superheater Zhu Zi-hao
CHN Energy Taizhou Power Generation Co., Ltd., Taizhou 225300, Jiangsu Province, China
Abstract In this paper, the dissimilar steel joints cracked at the outlet of high temperature superheater are subject to macroscopic examination, metallographic structure detection, scanning electron microscopy and other analysis, it is found that the main cracks have interrupted distributions along the circumference, both the main crack and the connecting crack contain a large amount of oxides, the crack spreads along the grain boundary of the branch, which demonstrates that the crack is generated in the solidification process. Through comprehensive analysis, the main reason for the crack is the large heat input in the manufacturing process and welding process.
Key words ultra-supercritical; T92 steel; Super304H; dissimilar steel joint; failure analysis
引言
随着超超临界机组的普及，从运行工况及经济性方面考量，越来越多的锅炉受热面管采用具有高热强性和高抗氧化性的奥氏体不锈钢（Super304H ）和马氏体耐热钢（T92）异种钢连接。

但由于这两类钢的化学成分、金相组织、机械性能及热膨胀系数存在较大差异，容易导致在焊接接头两侧的熔合区产生较为复杂的金相组织及化学成分的不均匀性，使焊接接头在使用过程中过早失效[1-4]。

通过对某超超临界机组停机进行金属监督检测，检查过程中发现高温过热器出口集箱异种钢焊缝存在缺陷，异种钢材质为T92+Super304H ，规格Φ48×13mm 。

检验过程为对高温过热器出口集箱管接座异种钢焊缝熔合线及T92侧母材进行硬度检验、表面着色探伤。

发现多处异种钢焊缝在硬度检验点处存在裂纹缺陷。

为探究异种钢焊缝开裂原因，针对开裂的及临近未开裂的异种钢接头进行宏观检查、金相组织检测、扫描电镜分析及显微硬度测试等研究。

1 试验方法与结果1.1 宏观检查
图1为异种钢接头焊缝开裂位置打磨后的形貌图，打磨过程中打磨至3mm 深度后发现裂纹延展至最长，打磨至5mm 深度后裂纹仍然存在但明显缩短（图2），确定该裂纹缺陷为焊缝内部缺陷，表面着色探伤无法检出。

裂纹位于焊缝中心附近，裂纹沿管子周向扩展，焊缝截面显示焊缝共分为4层，其中包含打底层、填充层及盖面层。

裂纹沿焊缝周向断续分布，主要集中在填充第2
层内。

图1 59-9打磨3mm后 图2 59-9打磨5mm后
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1.2 金相组织检测及显微硬度测试
1.2.1 金相组织检测。

进行取样分析，共取3个试样管（6-1，49-10，51-10），每个试样管沿着管子周向切12个试样，分别记为1，2，3，…，12个点。

3个管的宏观金相如图3所示。

从左至右依次为50-10-1，49-10-4，6-1-12试样。

可以明显看出焊缝一共分为4层，第4层可以看出粗大柱状晶，其长度显示焊层厚度，表明第4层焊缝厚
度最大，裂纹位于柱状晶中间部位。

对试样进行抛光后部分试样可以发现肉眼可见的裂纹（图4），图中试样上方为焊缝外表面，裂纹长度约6~8mm ，裂纹位于焊缝中间。

对3个管每个试样点的点至12点进行了显微金相分析，对分析结果统计如表1所示。

表中的“微裂纹”表示宏观未发现肉眼可见裂纹，“裂纹”表示宏观可以发现图4
所示裂纹。

图3 
三个试样的宏观金相
图4 抛光后肉眼可见裂纹表1 发现缺陷情况
位置 试样
1234567891011126-1未见未见未见未见未见未见未见未见未见未见未见未见49-10微裂纹微裂纹裂纹微裂纹裂纹裂纹裂纹裂纹裂纹裂纹裂纹微裂纹50-10
裂纹
裂纹
裂纹
微裂纹
裂纹
裂纹
裂纹
微裂纹
裂纹
微裂纹
裂纹
微裂纹
检测结果显示：焊缝中主裂纹裂纹沿周向断续分布，主裂纹之间有微小裂纹连接。

截面上观察裂纹主要集中在第3层焊缝，沿粗大枝晶界分布，少量在枝晶分支上。

主裂纹和连接裂纹内部均含有大量氧化物，应为焊接过程中产生的液化裂纹。

1.2.2 能谱分析。

选择 50-10-1（焊缝6点钟试件）、49-10-4（焊缝6点钟试件）和6-1-12（焊缝 4 点钟试件）作进一步
扫描电镜和能谱。

在光学显微镜下，50-10-1试样打底焊缝中有多条裂纹，裂纹之间并未贯通，其中有1条裂纹扩展至焊缝根部，将根部典型缺陷在500X 扫描电镜下观察，见图5：焊缝晶粒细小，缺陷集中在晶界，特别是三晶粒交叉处，晶界处有白色析出物。

主裂纹内部能谱分析结果表明含有较多氧化物，见图6。

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图5 典型缺陷电镜扫描下 图6 能谱分析结果
能谱分析表明：由于裂纹位于第3层焊缝中而且并未扩展至焊缝表面，所以排除运行期间氧化成因，应为焊接过程中产生。

能谱分析还发现裂纹扩展面上有大量富Nb的片层状组织和晶界链状析出物，应为焊缝凝固过程中形成，这两种组织形态均有利于裂纹扩展。

对不同焊层进行的能谱分析结果显示焊缝金属受到两侧母材稀释现象明显，焊接熔合比较大主要可能与小焊接坡口和大焊接电流有关。

2 检测结果分析
宏观结果表明，裂纹位于焊缝的中上部焊层厚度最大一层，且基本位于焊缝中央。

金相检验表明裂纹沿着树枝晶界扩展，宏观未发现裂纹的试样在显微镜下也能发现树枝晶界分布的微裂纹，在焊缝中也能发现有气孔和层间未熔等焊接缺陷。

6-1试样层间未熔合，49-10试样发现有气孔，50-10试样发现有层间未熔。

扫描电镜证实了裂纹沿树枝晶界扩展，裂纹内部存在较多氧化物，说明裂纹是在凝固过程中产生的，裂纹附近还存在链状分布的富Nb相，这也为裂纹产生和扩展创造了条件。

3 开裂原因分析
通过观察焊缝组织晶粒度大小和走向可以确定，焊接过程中存在热输入偏大的问题。

制造过程中存在使用大焊接参数、单层焊缝厚度大造成枝晶粗大可能，这些是导致焊缝裂纹产生的主要原因。

焊接热输入较大时，接头冷却缓慢，焊缝形成粗大柱状晶组织，晶间有害物质和局部氧化降低了晶界结合力，在冷却过程中收缩引起的拉应力作用下，形成微观裂纹。

通常单层焊道越厚，热输入越大，因此多数裂纹出现在了焊层厚度最大的一层。

微观裂纹在焊接时即出现，但其为形态较小的微观裂纹。

此类异种钢接头进行渗透检测与射线工业电视检测。

对渗透检测而言，只能检测已经扩展到表面的缺陷，无法检测内部缺陷。

而射线检测也会有一个灵敏度下限，低于极限则无法检测。

此外对射线检测而言，裂纹与射线之间的方向也非常关键，当裂纹的开裂面与射线束夹角大于10°时，检出概率就急速下降，甚至根本检不出。

电厂现场发现问题的异种钢接头，焊接过程中形成的微观裂纹，因不在焊缝表面，且低于射线检测的灵敏度，因此难以被有效检出。

4 结束语
试样缺陷为焊接微观热裂纹。

裂纹产生的可能来源是焊缝金属凝固过程中晶界和亚晶界最后凝固，缺陷内部存在氧化，在拉应力作用下扩展串联形成裂纹。

裂纹形成的原因是焊接过程中焊接热输入偏大，致焊缝形成粗大柱状晶组织，晶间有害物质和局部氧化降低了晶界结合力，在冷却过程中因收缩引起的拉应力作用下，形成微裂纹。

由于焊接过程中形成的裂纹极其微小，焊后检测未被发现。

锅炉运行过程中，裂纹在应力作用下扩展，形态较大的通过射线探伤或超声波探伤被检出。

参考文献
[1] 李勇.TP347H与T91异种钢焊接性能分析[J].广东电力,2007, 20(7):19-22.
[2] 章应霖.奥氏体耐热钢和火电站异种钢管道的焊接[OB/OL]. [2017-06-24].https:///p-74636113.html.
[3] 王志红,赵进史.T91与12Cr1MoV异种钢的焊接工艺[J].焊接,2006 (10):54-56.
[4] 蔡志强.高温再热器super304H与T91异种钢接头开裂失效分析[J].四川电力技术,2016,(39):88-90.。