焊缝失效分析及处理
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
焊缝失效分析及处理
1、概述
2014年4月4日，某厂660MW机组在运行时发现高中压缸 下缸#3高压进汽插管焊缝泄漏。
汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计制造的CCLN66025/600/600型超超临界凝汽式汽轮机。机组于2009年6月投
ຫໍສະໝຸດ Baidu
产，已运行3.2万多小时。
高中压进汽插管材料为1Cr9Mo1VNbN (P91)，高中压外缸 材料为ZG15Cr2Mo1 (F22)。采用的是镍基焊材填充的手工电 弧焊焊接工艺。
2016/11/25 2
2、调查分析
2.1 宏观检查
泄漏处位于#3高压进汽插管焊缝靠插管侧熔合线处，是
一条长约3/4圆周的裂纹，1/4裂纹已贯穿，见图1。
缸体
裂纹 插 管
2016/11/25 3
图1 #3高压进汽插管焊缝裂纹形貌
进汽插管 接高压导汽管
插管焊缝
高压外缸
图2 高压进汽插管结构图
2016/11/25 4
③镍基焊缝金属与两侧母材金属的线膨胀系数差值较大，在 机组启-停和变动负荷工况时， 两侧母材与镍基合金界面区
域形成的热应力相对较大。
综上所述，认为焊接时工艺控制不当，致使焊缝金属晶 粒粗大及在敏化温度区停留时间过长而出现焊缝金属的晶间 腐蚀倾向，造成高中压进汽插管焊缝出现普遍的沿熔合线的
晶间腐蚀裂纹及焊缝晶间腐蚀裂纹。 P91钢与镍基合金界面
性能与母材相当。缺点：工作量大、工艺复杂、操作难度大。
2016/11/25 18
二、采用镍基材料作为填充金属 （冷焊法）
镍基焊材含镍量大于60%，含有多量其它因素，耐高温、
耐腐蚀。常用的是Ni-Cr-Fe系和Ni-Cr系列。镍基焊材的最
大优点就是焊后不用热处理。
须及时焊后热处理。
2016/11/25 16
F22属于Cr及Mo固溶强化的贝氏体热强铸钢，具有良
好的综合性能，主要用于工作温度≤566℃的汽轮机内缸
、阀壳、喷嘴室等铸件。其碳当量为0.85-1.09%，同样具 有较大的淬硬倾向，若焊后冷却速度稍高，极易产生冷裂 纹。同时，还有一定的再热裂纹倾向，可通过焊前预热、 控制好层间温度、低的焊接线量等措施来控制。
2016/11/25
17
3.2焊接工艺 一、采用同质材料作为填充金属 （热焊法）
P91钢与F22均属于B类钢，焊接时： 1）焊材一般按与F22匹配选择，焊丝可选用TIG-40、焊条 E6015-B3（R407）。 2）预热温度按P91钢、焊后热处理按与F22要求的上限温度来确 定。
优点：工艺成熟，焊接质量有保障，接头的化学成份和高温
2016/11/25
14
区域较大的热应力和结构残余应力，是插管焊缝沿堆焊层
熔合线开裂泄漏的主要原因。
因此，所有焊缝已不能通过修复的方法来消除缺陷， 需要： ① 将焊缝全部清除，重新进行焊接。 ②更换焊接工艺，应尽量少用或不用镍基材料焊接。
2016/11/25
15
3、焊接工艺方案 3.1焊接性分析
9
图9：#4中压进汽插管焊缝裂纹形貌100×
2016/11/25
图10：#4中压进汽插管熔合线及焊缝裂纹形100×
10
2.4 焊接工艺调查
该型号机组为引进日本三菱公司技术，高中压进汽插管焊接
采用三菱公司提供的镍基合金堆焊、整体镍基合金材料填充的
焊接工艺。焊接工艺要点如下：
1.在插管侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约15mm的过渡层，堆焊前
P91钢属于9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，主要用于亚
临界、超（超）临界机组壁温不超过600℃的高温集箱和蒸
汽管道。 该钢具有相当高的冷裂倾向，在不预热条件下
焊接裂纹达100%，当预热200～250℃时可避免冷裂纹的产
生。在焊接过程中严格控制焊件的层间温度和控制焊接输
入热量，焊接接头在焊后状态为高硬度的不稳定组织，必
预热200-250 ℃，堆焊后740±10℃高温回火处理。 2.在缸体侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约8mm的过渡层,堆焊前预 热200-250 ℃,堆焊后未进行焊后热处理。 3.插管组装到缸体后，采用ERNiCr-3焊丝打底和ENiCrFe-1焊条
2016/11/25 11
填充，焊前不再预热，采用冷焊法，要求层间温度不超过 150℃，焊后不再进行热处理。 汽轮机厂家提供了过渡层堆焊的焊接工艺评定报告，从
艺评定报告。从现场检查情况看，所有的焊缝都存在微观裂
纹，有普遍性；从微观金相组织看，焊缝金属晶粒粗大，存 在晶间腐蚀裂纹，说明焊接时规范较大、焊缝在“敏化温度 区”停留时间较长。 ②堆焊层与P91钢的强度差别大，堆焊工艺执行效果不佳及
热处理效果不良，会导致P91插管侧镍基堆焊界面成为强度薄
弱部位。
2016/11/25 13
插管侧和缸体侧母材坡口上分别是约8mm和15mm的镍基焊条
过渡层，焊缝中间是用镍基焊材填充。焊缝裂纹具体处于插管
镍基过渡层的熔合线上，焊接接头结构形式及裂纹位置图3。
缸体
中间焊缝
过渡层 出现裂 纹处
图3 插管焊缝结构图
插管
5
2016/11/25
2.2 表面探伤检验
对其余7个高中压进汽插管的焊缝进行全面探伤检查，
对高中压进汽插管的焊缝全部进行金相检查，焊缝金相组 织均为胞状和柱状树枝晶，晶粒粗大。焊缝均存在有晶间腐蚀 倾向并存在微观沿晶裂纹。
2016/11/25
8
图5：#1高压进汽插管焊缝组织形100×
图7：#4高压进汽插管焊缝裂纹形貌100×
2016/11/25
图8：#3中压进汽插管焊缝晶间腐蚀形貌100×
发现其余7个焊缝都存在多条宏观裂纹。裂纹的分布有沿
两侧熔合线和焊缝上两种。高压进汽插管焊缝裂纹最长约
30mm，中压进汽插管焊缝裂纹最长约80mm，位于中压#4进
汽插管焊缝靠近缸体（F22）侧焊缝表面。
2016/11/25
6
缸体 裂纹
插管
图4：中压#4进汽插管焊缝裂纹形貌
2016/11/25 7
2.3 微观组织检验
报告的内容看，评定的项目是齐全的，焊样经过外观检查、
无损探伤、拉伸、弯曲、 金相、硬度等检测，也均合格。说
明过渡层堆焊焊接工艺是有合格的工艺评定为依据的。未提
供焊接接头镍基焊材填充的焊接工艺评定报告。 同时未见到插管焊缝的焊接记录、焊后检验等资料。
2016/11/25 12
2.5 原因分析
①从所了解的焊接工艺来看，缺少镍基焊材填充的焊接工
1、概述
2014年4月4日，某厂660MW机组在运行时发现高中压缸 下缸#3高压进汽插管焊缝泄漏。
汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计制造的CCLN66025/600/600型超超临界凝汽式汽轮机。机组于2009年6月投
ຫໍສະໝຸດ Baidu
产，已运行3.2万多小时。
高中压进汽插管材料为1Cr9Mo1VNbN (P91)，高中压外缸 材料为ZG15Cr2Mo1 (F22)。采用的是镍基焊材填充的手工电 弧焊焊接工艺。
2016/11/25 2
2、调查分析
2.1 宏观检查
泄漏处位于#3高压进汽插管焊缝靠插管侧熔合线处，是
一条长约3/4圆周的裂纹，1/4裂纹已贯穿，见图1。
缸体
裂纹 插 管
2016/11/25 3
图1 #3高压进汽插管焊缝裂纹形貌
进汽插管 接高压导汽管
插管焊缝
高压外缸
图2 高压进汽插管结构图
2016/11/25 4
③镍基焊缝金属与两侧母材金属的线膨胀系数差值较大，在 机组启-停和变动负荷工况时， 两侧母材与镍基合金界面区
域形成的热应力相对较大。
综上所述，认为焊接时工艺控制不当，致使焊缝金属晶 粒粗大及在敏化温度区停留时间过长而出现焊缝金属的晶间 腐蚀倾向，造成高中压进汽插管焊缝出现普遍的沿熔合线的
晶间腐蚀裂纹及焊缝晶间腐蚀裂纹。 P91钢与镍基合金界面
性能与母材相当。缺点：工作量大、工艺复杂、操作难度大。
2016/11/25 18
二、采用镍基材料作为填充金属 （冷焊法）
镍基焊材含镍量大于60%，含有多量其它因素，耐高温、
耐腐蚀。常用的是Ni-Cr-Fe系和Ni-Cr系列。镍基焊材的最
大优点就是焊后不用热处理。
须及时焊后热处理。
2016/11/25 16
F22属于Cr及Mo固溶强化的贝氏体热强铸钢，具有良
好的综合性能，主要用于工作温度≤566℃的汽轮机内缸
、阀壳、喷嘴室等铸件。其碳当量为0.85-1.09%，同样具 有较大的淬硬倾向，若焊后冷却速度稍高，极易产生冷裂 纹。同时，还有一定的再热裂纹倾向，可通过焊前预热、 控制好层间温度、低的焊接线量等措施来控制。
2016/11/25
17
3.2焊接工艺 一、采用同质材料作为填充金属 （热焊法）
P91钢与F22均属于B类钢，焊接时： 1）焊材一般按与F22匹配选择，焊丝可选用TIG-40、焊条 E6015-B3（R407）。 2）预热温度按P91钢、焊后热处理按与F22要求的上限温度来确 定。
优点：工艺成熟，焊接质量有保障，接头的化学成份和高温
2016/11/25
14
区域较大的热应力和结构残余应力，是插管焊缝沿堆焊层
熔合线开裂泄漏的主要原因。
因此，所有焊缝已不能通过修复的方法来消除缺陷， 需要： ① 将焊缝全部清除，重新进行焊接。 ②更换焊接工艺，应尽量少用或不用镍基材料焊接。
2016/11/25
15
3、焊接工艺方案 3.1焊接性分析
9
图9：#4中压进汽插管焊缝裂纹形貌100×
2016/11/25
图10：#4中压进汽插管熔合线及焊缝裂纹形100×
10
2.4 焊接工艺调查
该型号机组为引进日本三菱公司技术，高中压进汽插管焊接
采用三菱公司提供的镍基合金堆焊、整体镍基合金材料填充的
焊接工艺。焊接工艺要点如下：
1.在插管侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约15mm的过渡层，堆焊前
P91钢属于9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，主要用于亚
临界、超（超）临界机组壁温不超过600℃的高温集箱和蒸
汽管道。 该钢具有相当高的冷裂倾向，在不预热条件下
焊接裂纹达100%，当预热200～250℃时可避免冷裂纹的产
生。在焊接过程中严格控制焊件的层间温度和控制焊接输
入热量，焊接接头在焊后状态为高硬度的不稳定组织，必
预热200-250 ℃，堆焊后740±10℃高温回火处理。 2.在缸体侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约8mm的过渡层,堆焊前预 热200-250 ℃,堆焊后未进行焊后热处理。 3.插管组装到缸体后，采用ERNiCr-3焊丝打底和ENiCrFe-1焊条
2016/11/25 11
填充，焊前不再预热，采用冷焊法，要求层间温度不超过 150℃，焊后不再进行热处理。 汽轮机厂家提供了过渡层堆焊的焊接工艺评定报告，从
艺评定报告。从现场检查情况看，所有的焊缝都存在微观裂
纹，有普遍性；从微观金相组织看，焊缝金属晶粒粗大，存 在晶间腐蚀裂纹，说明焊接时规范较大、焊缝在“敏化温度 区”停留时间较长。 ②堆焊层与P91钢的强度差别大，堆焊工艺执行效果不佳及
热处理效果不良，会导致P91插管侧镍基堆焊界面成为强度薄
弱部位。
2016/11/25 13
插管侧和缸体侧母材坡口上分别是约8mm和15mm的镍基焊条
过渡层，焊缝中间是用镍基焊材填充。焊缝裂纹具体处于插管
镍基过渡层的熔合线上，焊接接头结构形式及裂纹位置图3。
缸体
中间焊缝
过渡层 出现裂 纹处
图3 插管焊缝结构图
插管
5
2016/11/25
2.2 表面探伤检验
对其余7个高中压进汽插管的焊缝进行全面探伤检查，
对高中压进汽插管的焊缝全部进行金相检查，焊缝金相组 织均为胞状和柱状树枝晶，晶粒粗大。焊缝均存在有晶间腐蚀 倾向并存在微观沿晶裂纹。
2016/11/25
8
图5：#1高压进汽插管焊缝组织形100×
图7：#4高压进汽插管焊缝裂纹形貌100×
2016/11/25
图8：#3中压进汽插管焊缝晶间腐蚀形貌100×
发现其余7个焊缝都存在多条宏观裂纹。裂纹的分布有沿
两侧熔合线和焊缝上两种。高压进汽插管焊缝裂纹最长约
30mm，中压进汽插管焊缝裂纹最长约80mm，位于中压#4进
汽插管焊缝靠近缸体（F22）侧焊缝表面。
2016/11/25
6
缸体 裂纹
插管
图4：中压#4进汽插管焊缝裂纹形貌
2016/11/25 7
2.3 微观组织检验
报告的内容看，评定的项目是齐全的，焊样经过外观检查、
无损探伤、拉伸、弯曲、 金相、硬度等检测，也均合格。说
明过渡层堆焊焊接工艺是有合格的工艺评定为依据的。未提
供焊接接头镍基焊材填充的焊接工艺评定报告。 同时未见到插管焊缝的焊接记录、焊后检验等资料。
2016/11/25 12
2.5 原因分析
①从所了解的焊接工艺来看，缺少镍基焊材填充的焊接工