摘 要：某電廠600 MW亞臨界機組過熱器管T91焊接接頭泄漏，通過對開裂部位進行一系列試驗分析，結(jié)果表明，該過熱器管焊接工藝執(zhí)行不嚴格，使焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大淬硬馬氏體組織，在多處應力作用下產(chǎn)生熱影響區(qū)冷裂紋，擴展形成宏觀開裂失效。

關(guān)鍵詞：T91鋼；焊接接頭；裂紋；熱影響區(qū)

中圖分類號：TG441.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.074

T91鋼具有優(yōu)異的綜合性能，其主要優(yōu)點是低熱膨脹性，良好的導熱性、加工性和抗氧化性，高韌性，良好的抗高溫蒸汽腐蝕性能，且在高溫下有較高的蠕變持久強度和許用應力。T91鋼的這些優(yōu)點使其在電站高溫過熱器、高溫再熱器和主蒸汽管道上得到了越來越廣泛的應用。但是，由于其工作環(huán)境的特殊性，其在長期的高溫運行中，勢必會逐漸老化，當老化到一定程度時，就有可能發(fā)生爆管等嚴重后果，給實際生產(chǎn)帶來隱患。一旦發(fā)生事故，就會帶來巨大的損失。調(diào)查分析表明，在各種事故原因中，焊接質(zhì)量占45.4%，設計制造占26.4%，材料占21.2%，閥門占6.4%，錯用鋼材占0.57%，由此可見焊接質(zhì)量問題的重要性。

1 概述

某電廠600 MW亞臨界機組于168 h過后一直停運，再次起機運行一個月后，兩根前屏過熱器管子焊接接頭處發(fā)生泄漏，一根高溫過熱器管子焊接熱影響區(qū)存在一條長度為30 mm的裂紋，管子材質(zhì)為SA213-T91，規(guī)格均為φ42×5.5 mm。針對這一情況，筆者以這三根管子為研究對象，通過大量試驗分析其失效原因。試驗內(nèi)容包括宏觀分析、力學性能試驗和金相試驗。有關(guān)管樣的情況和編號如下：前屏過熱器帶焊口泄漏管樣編號為1號樣、2號樣，高溫過熱器帶焊口開裂管樣編號為3號樣。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 宏觀分析

從圖1和圖2中可以看出，帶焊口的兩個管樣焊縫及其附

近母材存在多處泄漏爆口和沖刷減薄，其相鄰管子有被嗤出的蒸汽沖刷減薄和泄漏的痕跡，蒸汽沖刷處顏色發(fā)亮。另外，2號管樣泄漏情況和水壓試驗壓力判斷應該是機組停運前已經(jīng)泄漏。從圖3中可以看出3號管樣未見有泄漏沖刷痕跡。

圖1 1號管樣開裂局部形貌圖 圖2 2號管開裂局部形貌圖 圖3 3號管開裂局部形貌圖

進一步觀察發(fā)現(xiàn)1號、2號和3號管樣在焊縫熱影響區(qū)熔合線附近均存在不同程度的開裂，裂紋比較平直，未發(fā)現(xiàn)其他裂紋分支，走向與熔合線平行。1號管樣裂紋長度約20 mm，2號管樣裂紋長度約25 mm，3號管樣裂紋長度約30 mm，且管樣圓周中間裂紋較寬，而在圓周兩側(cè)，裂紋較細窄。鋸床剖開后發(fā)現(xiàn)，1號、2號和3號管樣的裂紋均沿壁厚方向裂透，且管樣外壁裂紋長度比內(nèi)壁裂紋長，裂紋張口程度較內(nèi)壁大。三個管樣焊接接頭附近管子沒有明顯的塑性變形和脹粗現(xiàn)象。

2.2 化學試驗

利用NITON XL3t-898手持式合金分析儀對1號、2號、3號管子進行合金元素定量分析。試驗結(jié)果表明，3個管樣材質(zhì)都符合ASME SA213-1989 T91規(guī)定。

2.3 力學性能試驗

在1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）取樣，加工成等寬條狀試樣進行室溫拉伸試驗，而3號管樣長度不足，無法加工拉伸性能試樣。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗結(jié)果

管樣編號 屈服強度/MPa 抗拉強度/MPa 延伸率/% 備注

1號 560 720 19.0 斷于母材

2號 555 725 18.0 斷于母材

ASME SA213-89 T91 ≥415 ≥585 ≥20 /

1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）拉伸試驗斷裂位置均在母材。拉伸試驗結(jié)果表明，屈服強度、抗拉強度滿足ASME SA213-89 T91標準，延伸率小于標準要求。

2.4 金相試驗

1號、2號前屏過熱器泄漏管樣（帶焊口）和3號高溫過熱器管樣（帶焊口）沿開裂部位圓周中間和兩側(cè)較窄焊接接頭的縱剖面制備試樣，采用機械拋光，將浸蝕劑作為FeCl3鹽酸水溶液，在金相顯微鏡下觀察。1號、2號和3號管樣開裂部位外壁裂紋開口大，裂紋的產(chǎn)生和擴展均位于熱影響區(qū)的粗晶區(qū)，裂紋的擴展走向為穿晶和沿晶的，并由管子外壁向內(nèi)壁擴展，裂紋如圖4和圖5所示。

圖4 1號管樣裂紋1 00X 圖5 1號管樣沿晶裂紋 200X 圖6 1號管焊縫組織100X

圖7 1號管粗晶組織 200X 圖8 1號管細晶組織 200X 圖9 1號管母材組織 200X

1號、2號和3號管開裂部位和未開裂部位焊縫處組織均為粗大板條馬氏體組織，熱影響區(qū)處的組織有：粗晶區(qū)為板條馬氏體，細晶區(qū)為細小回火索氏體，母材為細小回火馬氏體組織（以1號管為例，其金相照片如圖6、圖7、圖8和圖9所示）。焊縫、熱影響區(qū)組織粗大，但組織中未見有蠕變空洞和蠕變裂紋存在，在晶界上沒有發(fā)現(xiàn)碳化物聚集和長大的現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

3.1 熱影響區(qū)開裂原因

熱影響區(qū)開裂原因主要有：①宏觀分析三個管子焊接接頭附近，沒有明顯的塑性變形和脹粗現(xiàn)象，裂紋均位于熱影響區(qū)熔合線附近，并由管子外壁向內(nèi)壁擴展，且裂紋均沿壁厚方向已裂透。②彎曲試驗的面彎、背彎斷裂位置在焊縫和熔合區(qū)附近，而且拉伸試驗的延伸率小于標準要求。這兩項結(jié)果表明焊縫和熱影響區(qū)韌性差，容易出現(xiàn)缺陷。③金相試驗結(jié)果表明，焊縫、粗晶區(qū)存在淬硬板條馬氏體組織，并且晶粒粗大。裂紋均位于熱影響區(qū)熔合線附近，且裂紋的擴展走向為穿晶和沿晶混合型的，因此可以斷定此裂紋為冷裂紋。一般產(chǎn)生淬硬粗大

板條馬氏體組織是因焊接線能量過大、焊后冷卻速度控制不嚴或焊后熱處理工藝不規(guī)范等因素造成的。焊后熱處理工藝控制嚴格，會有效降低T91鋼焊接接頭的殘余應力，同時還能改善熱影響區(qū)和焊縫組織，使淬硬組織得到回火處理，從而提高焊接接頭組織的力學性能；否則，焊接接頭質(zhì)量將無法得到保證。④焊接時，如果焊接線能量大，不僅會產(chǎn)生粗大板條馬氏體組織，加熱時還會產(chǎn)生比較大的熱應力。在冷卻過程中，如果采取措施不到位，就會導致焊接接頭留有大量的殘余熱應力。另外，焊縫和熔合區(qū)存在粗大的淬硬馬氏體組織和母材為細小的回火馬氏體組織，具有不同的膨脹系數(shù)，在加熱或冷卻過程中會產(chǎn)生組織應力。還有焊縫余高處的應力集中。上述三種應力疊加，加速了管子焊接接頭冷裂紋的產(chǎn)生和擴展。⑤焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；當冷卻速度大時，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。所以T91鋼在焊接時，只有嚴格控制焊接工藝，才能避免或減小焊接接頭的失效率。

焊接接頭熔合區(qū)處裂紋性質(zhì)為冷裂紋，產(chǎn)生的原因主要有：①T91鋼由于焊后產(chǎn)生的馬氏體的組織應力和擴散氫、拘束度等綜合作用，導致其具有較大的冷裂傾向；②T91鋼的淬硬傾向大、焊縫余高結(jié)構(gòu)處應力集中；③與管子焊接時的工藝條件、工藝措施和焊后熱處理工藝密切相關(guān)，特別是焊后緩冷速度控制不嚴和焊后熱處理工藝規(guī)范未有效降低T91鋼的冷裂紋產(chǎn)生條件。

3.2 管樣泄漏原因

由于1，2號管焊接接頭熔合區(qū)開裂沒有明顯的張口，斷口也未見沖刷痕跡，因此，熔合區(qū)開裂不是此次泄漏的首漏點。從1，2號管實物蒸汽相互沖刷痕跡和爆口形貌分析來看，首漏點應該位于焊接接頭焊縫上，由于首漏點處焊縫被沖刷掉，因此未能對其金相組織分析。由1號管未開裂部位縱截面金相可見，焊縫內(nèi)部有氣孔和裂紋缺陷，不排除首漏點焊縫內(nèi)部存在焊接缺陷。焊接缺陷會引起應力集中，進而引起裂紋，最終導致焊接接頭泄漏。

4 結(jié)論

從以上分析可以看出，前屏過熱器焊接接頭內(nèi)部存在焊接缺陷，從而引起裂紋產(chǎn)生，最終導致焊接接頭失效；前屏過熱器和高溫過熱器的熱影響區(qū)熔合線裂紋為典型的冷裂紋；焊縫、粗晶區(qū)淬硬粗大板條馬氏體組織和焊接殘余應力是前屏過和高過焊接接頭熱影響區(qū)熔合線開裂的主要原因；嚴格按照T91焊接工藝措施、焊接工藝條件施焊是避免焊接接頭組織及熱影響區(qū)組織出現(xiàn)缺陷，保證焊接接頭質(zhì)量的重要措施。

參考文獻

[1]婁杰云.T91/P91鋼的性能分析及焊接工藝[J].華電技術(shù)，2010，32（4）：35-38.

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作者簡介：張偉妮（1984—），女，陜西咸陽人，碩士研究生，主要從事發(fā)電廠金屬監(jiān)督工作。

〔編輯：王霞〕