异种钢焊接接头开裂原因分析

异种钢焊接接头开裂原因分析

张海峰

（大唐国际发电股份有限公司下花园发电厂河北张家口075000）

摘要：大型发电锅炉本体中过热器、再热器、集箱、主蒸汽管道等相连接的部件采用不同的耐热钢种。在过热器、再热器部件中大量采用奥氏体不锈钢与铁素体类耐热钢的异种钢管子对接焊。由于这两类钢的化学成份、金相组织、热膨胀系数等差异极大、容易产生化学成份和金相组织极为复杂的焊接熔合区，使焊接接头在焊接中及以后的使用过程中产生过早失效。

关键词：异种钢；焊接接头；裂纹

1试验背景

火电厂机组1号锅炉在8月18日点火，到8月22日锅炉运行压力8MPa，炉管泄漏。经检查发现高过入口自炉左数第4管组的前数第4根管，炉管断裂，断裂位置在T91+TP347HFG异种钢焊接接头T91侧的热影响区。同时在锅炉制造厂生产的T91+TP347HFG异种钢焊接接头等多处发现相同的断裂，因此对其裂纹开裂原因进行分析尤显必要和迫切。异种钢焊接接头T91、TP347HFG母材的化学成分和母材的常规拉伸试验结果均满足ASME及GB5310标准的相关技术要求。

2试验过程与结果

2.1显微组织分析

根据接头渗透检验结果，在含有裂纹焊接接头处截取试样进行组织分析。T91侧母材金相组织为板条马氏体，晶粒度为8～10级；TP347HFG侧母材组织为奥氏体+孪晶，晶粒度9～10级。T91及TP347HFG侧母材金相组织满足相关标准要求。对不含裂纹处的该异种钢焊接接头组织观察，发现其各区域组织正常，未发现裂纹、未熔合等焊接缺陷。异种钢接头T91沿熔合线侧有大量的块状铁素体组织，主要在距熔合线100μm范围沿熔合线分布，目前块状组织对接头的性能影响程度行业内尚未有明确的结论。同时结合主裂纹的位置距熔合线的距离924μm，其位于热影响区的粗晶区，组织为马氏体组织，可知T91侧熔合线大量的块状铁素体组织与裂纹的产生无关。

2.2断口宏观分析

对出现断口的焊缝宏观分析结果如下：对断裂面进行肉眼观察，断裂面的整圈形貌基本相同，未见明显塑性变形，脆断特征较为明显；断裂基本沿焊接接头钢管侧的熔合线处发生，配对断口上均有明显可见的焊道轮廓，断口上未见明显启裂部位，局部断口上可见锈蚀迹象。断裂面的近外壁存在约2mm厚度的剪切唇，而内壁无剪切断裂区，可见焊接接头开裂处断裂是从内壁启裂的；法兰焊缝侧断裂面内部有整圈打底焊道，每个焊道轮廓呈凸出状，钢管母材侧的断裂面则对应呈凹陷状。焊道层数为6～7层；从外观看打底焊道成型较差，有的部位形成明显的焊瘤。

2.3硬度分析

对焊接接头不同区域进行显微硬度测试，测试示意图如图7所示，在距离管件外壁、内壁≤2mm处各沿着一条直线从一侧母材，经过热影响区、焊缝区测试到另一侧母材。根据不含裂纹的接头硬度检测结果，可知，T91侧热影响区近外壁及内壁均较宽，且出现硬度峰值，试样中最高显微硬度超过HV300。根据标准DL/T438—2009中要求，T91焊缝硬度在HB180～270范围之内，因此TP347HFG+T91异种钢接头T91侧热影响区硬度值偏高。结合冲击韧性试验结果可知，T91侧热影响区存在淬硬化倾向比较大的马氏体组织，所以T91侧热影响区位置脆性较大。而对含裂纹的焊接接头检测后发现，该异种钢焊缝及TP347HFG侧热影响区硬度值较为均匀，硬度分布在HV0．5140～160范围。而T91侧热影响区较宽，宽度约为5～6mm，可知其焊接过程中可能存在焊接规范参数较大的问题，并且在主裂纹附近的热影响区位置出现焊接接头硬度峰值，试样中最高显微硬度达到HV0．5433，且整个热影响区区域硬度普遍大于HV0．5300，越靠近熔合线位置硬度越高。且沿厚度方向整个热影响区区域硬度值均较高。

2.4金相检验

对异种钢焊接接头T91侧焊接热影响区的裂纹进行金相检验。光学显微镜下观察，根据裂纹两侧的组织为马氏体，对裂纹微观形貌观察表明裂纹起源于管子内壁，由内壁向外壁扩展，穿晶及沿晶开裂都存在；裂纹部份区域扩展的微观形貌，分枝裂纹扩展到熔合线处停止；根据裂纹扩展末端区域的微观形貌，马氏体组织位向明显。HR3C原材料的金相组织，组织为奥氏体加碳化物，为HR3C材料的正常组织；T91原材料的金相组织，组织为回火索氏体，为T91材料的正常组织。

3异种钢焊接接头的裂纹分析

该类异种钢接头焊接的正常工艺为热丝TIG自动焊，三道焊接完成，并进行高温回火热处理，以降低T91侧的热影响区的硬度，改善焊接接头的金相组织，降低残余应力水平。但该焊缝成型较差，错边量较大，存在有两个收弧坑，这表明该异种钢焊接接头为手工焊接，并且为两道焊接完成。这样在手工焊接时，该异种钢接头区域存在较大的拘束应力。从裂纹存在于异种钢接头T91侧焊接热影响区，裂纹起源于管子内壁，由内壁向外壁扩展，裂纹两侧的组织为马氏体，以及手工焊接时该异种钢接头区域存在较大的拘束应力，这些现象表明该异种钢接头裂纹为淬硬脆化裂纹，它属于焊接冷裂纹的一种。T91材料属于马氏体钢，在空冷状态下将形成马氏体，因此在异种钢接头焊接时，在T91侧的热影响区内将形成淬硬倾向比较大的马氏体组织，并且该区域的硬度值高于T91母材及焊缝一倍以上；当在手工焊接该异种钢接头时，在较大的拘束应力的作用下，在T91侧焊接热影响区管子内壁形成裂纹，从内壁向外壁扩展，最终导致该异种钢接头开裂，即为淬硬脆化裂纹。该类异种钢的焊接工艺及焊后热处理不当，造成T91侧焊接热影响区硬度偏高及冲击韧性较差，引发裂纹在脆而硬的T91侧焊接热影响区萌生和扩展，最终导致该异种钢焊接接头开裂，属于淬硬脆化裂纹引起的开裂。施工单位质保体系不健全、内部管理混乱是造成这起焊缝断裂事故的直接原因。管道技术人员在领料后发现该法兰实际到货材料与管道材料表不符，没有按程序及时将该信息向设计人员反馈，而是想当然的认为材质以高代低没问题；质量检验人员对检测点的情况没有现场核实，未及时发现使用的材料与管道单线图不符，出现不该有的异种钢焊接接头。

4改进措施

对于该类异种钢焊接应严格执行该类异种钢焊接接头的焊后热处理工艺，控制焊接规范参数进而改善接头组织，降低残余应力水平。该异种钢焊接接头所用材料符合标准要求。该异种钢焊接接头裂纹为淬硬脆化裂纹，它属于焊接冷裂纹的一种。改善焊接接头的金相组织，降低残余应力水平。加强设计单位各部门之间配合协调、检查、审核管理；牢固树立施工人员和监理人员责任心和质量意识，严格执行按图施工管理规定。

5结束语

基于安全性及经济性的考虑，出现了大量异种钢焊接接头的使用，尤其以TP347HFG为代表的奥氏体不锈钢和以T91为代表的马氏体不锈钢组成的异种钢焊接接头在国内得到了广泛的应用。对异种钢焊接接头处产生的断裂缺陷进行分析，通过对异种钢焊接接头断口处裂纹断口、制造安装过程等分析，阐明产生裂纹缺陷的原因。

参考文献：

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