T91/TP347HFG异种钢焊接接头裂纹产生原因探讨

武东文，梁文利

（山西京能吕临发电有限公司，山西 临县 033200）

0 引言

随着火力发电厂机组容量和参数的提高，以T91为代表的马氏体热强钢和以TP347HFG为代表的奥氏体不锈钢组成的异种钢焊接接头在国内电站得到了广泛应用[1]51。对于异种钢焊接接头，由于其母材的化学成分、组织结构、机械性能及物理性能的差异[2]，使其性能受接头中的焊接残余应力、焊后热处理等的影响较大，由此带来的异种钢焊接接头开裂失效的问题也逐渐增多[3]50。

1 试验背景

某发电公司在建350 MW超临界循环流化床机组，锅炉技改时发现炉顶高温过热器（以下简称“高过”）T91/TP347HFG异种钢焊接接头发生开裂，裂纹位于T91侧熔合线附近的热影响区，管子外壁可见明显的点蚀坑。高过管屏结构为反L型，上部穿出前炉膛顶棚，下部穿出前侧水冷壁，炉顶和炉内均有异种钢焊接接头,焊接工艺为热丝TIG自动焊，焊材选用ERNiCr-3。开裂异种钢焊接接头位于穿出顶棚上部的膨胀节内，膨胀节为密封结构。

渗透检测发现炉顶高过有超过一半的制造厂异种钢焊接接头发生开裂，由于未运行的异种钢焊接接头大面积开裂的事例并不多见，因此对其裂纹和点蚀坑产生原因进行深入研究具有十分重要的意义。

2 试验内容与结果

2.1 试验原理

对高过取样管进行宏观形貌检查，观察其是否有原始缺陷、磨损、氧化及腐蚀等痕迹，管样有无胀粗及减薄等特征，并结合其他试验手段对接头开裂原因做出进一步分析。

按照GB/T 11170—2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》要求，利用台式直读光谱仪，对取样管进行全元素化学成分分析，以确定其化学成分是否符合标准要求。按照DL/T 884—2004《火电厂金相检验与评定技术导则》要求，利用金相显微镜，对高过取样管取样进行显微组织检测，以确定各部位的金相显微组织是否正常。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》要求取样，在电子万能试验机上进行常温拉伸试验，确定其材料屈服强度、抗拉强度和断后伸长率是否符合标准要求。按照GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验 第1部分：试验方法》要求，利用显微维氏硬度测试仪，对取样管焊接接头及母材进行硬度检测，以确定焊接接头各部位的硬度是否符合标准要求。

2.2 宏观形貌观察与分析

2根异种钢取样管均为T91与TP347HFG对焊而成，沿T91侧近熔合线处均存在周向开裂现象，T91侧管子外壁可见明显的点蚀坑。裂纹断续分布，局部存在相连的点蚀坑，裂纹总长度约为焊缝周长的1/2，裂纹开口细小（见图1），两侧材料均未见明显的塑性变形，未见严重咬边、错边及角变形缺陷，未见明显的弯曲和机械损伤。

图1 开裂异种钢焊接接头宏观形貌

2.3 化学成分检测与分析

对10号取样管的TP347HFG和T91管材分别取样进行化学成分检测，检测数据见表1和表2。结果表明，两侧管材化学成分中各元素的含量满足ASME SA-213标准要求。

表1 TP347HFG钢管化学成分检测结果%

表2 T91钢管化学成分检测结果%

2.4 显微组织检测与分析

对于10号、12号异种钢焊接接头，裂口均沿T91侧熔合线附近热影响区分布，裂纹形貌呈现两种状态，一种位于热影响区的粗晶区，裂纹尺寸较小，呈沿晶断裂形貌特征，粗晶区存在粗大的淬硬马氏体组织，可见马氏体回火不充分，与T91母材的微观组织有明显区别；另一种位于热影响区的细晶区，裂纹自管材外壁点蚀坑底部向内壁扩展，呈现穿晶扩展形貌特征，主裂纹边缘有树枝状分叉形貌，裂纹内部可见黑色填充物，黑色填充物局部呈团状聚焦，与常见氧化层形貌有明显差别，裂纹中未见明显氧化层。T91管材的组织均为等轴状均匀分布的细晶状回火马氏体，平均晶粒度为10级；TP347HFG管材的组织均为等轴状均匀分布的单相奥氏体，平均晶粒度为10级，熔合区组织未见明显异常，如图2、图3所示。

2.5 力学性能检测与分析

对两个异种钢焊接接头取样进行拉伸性能及硬度检测，检测结果见表3和表4。结果表明，10号焊接接头开裂侧抗拉强度不合格；12号焊接接头开裂侧和未开裂侧抗拉强度均不合格，特别是存在明显裂纹侧的最低强度只有388 MPa。拉伸试样均断裂于T91侧热影响区部位，在断口上可观察到靠近T91外壁处存在明显的开裂缺陷（见图4）。

对于硬度，TP347HFG及T91母材的硬度均合格，焊缝及TP347HFG侧热影响区的硬度也合格。但T91侧热影响区的硬度最大值达到429 HB，严重高于标准要求。

图2 10号异种钢焊接接头各部位显微组织

图3 12号异种钢焊接接头各部位显微组织

图4 焊接接头拉伸试样断口形貌

表3 异种钢焊接接头拉伸性能测试结果 （20℃）

表4异种钢焊接接头硬度测试结果HB

2.6 扫描电镜/能谱分析

将异种钢焊接接头裂纹显示区域进行断口分析，在电镜下观察断口形貌（见图5），可判断裂纹是从外壁向内壁扩展，断口表面呈黑灰色，局部放大可观察到类似泥纹状的形貌特征，与打断区形貌（解理形貌） 差异明显。使用能谱仪对泥纹状区域进行微区成分分析（见图6），主要成分为Fe、Cr、O、V、S、Cl等元素，推测其为 O、S、Cl等元素的腐蚀产物。

图5 裂纹断口形貌

图6 能谱分析结果

2.7 点蚀坑的形貌对比

异种钢焊接接头T91侧热影响区附近的点蚀坑，某此坑底可见裂纹（见图7），而远离热影响区的母材上的点蚀坑底部圆滑、不尖锐、无裂纹。

图7 T91侧热影响区点蚀坑形貌

3 分析与讨论

取样的异种钢焊接接头T91侧热影响区的硬度值严重偏高，说明焊后热处理工艺不当。T91材料属于马氏体钢，在高温空冷后有明显的淬硬倾向，而且马氏体钢还具有较大的晶粒粗化倾向[1]54。T91和TP347HFG异种钢焊接时，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，导致该区域的硬度值高于T91母材，塑韧性差[1]55，组织内应力大，因此焊后需进行高温回火处理，以改善焊接接头力学性能，降低T91侧热影响区的硬度及残余应力。

异种钢焊接接头裂纹均位于T91侧熔合线附近的热影响区，从管子外壁向内壁扩展，裂纹有树枝状分叉特征，粗晶区裂纹呈沿晶断裂形貌，细晶区裂纹呈穿晶扩展形貌，且裂纹内部填充大量O、S、Cl的黑色腐蚀产物，腐蚀产物局部呈团状聚焦；同时裂纹断口呈黑灰色，为泥纹状形貌；管外壁宏观可见点蚀坑，热影响区某些点蚀坑底部可见裂纹。此外，裂纹垂直管壁扩展，说明承受管子轴向应力。由此可知，T91侧热影响区的裂纹为应力和腐蚀介质共同作用下导致的开裂，裂纹具有明显的应力腐蚀特征。

产生应力腐蚀需满足三要素：拉应力、腐蚀介质、特定的材料，只要三者缺一，就不会发生应力腐蚀断裂[3]49。

a）拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件[3]47。异种钢焊后热处理不当，导致T91侧热影响区硬度严重偏高、焊接残余应力较大，同时现场管屏的组对和焊接均会叠加应力，因此引起开裂的应力来源为焊接残余应力以及安装后叠加应力和管屏结构的拘束应力。

b）腐蚀介质。宏观观察T91侧外壁存在有一定深度的点蚀坑，此为T91受到O、S、Cl等元素腐蚀而产生的点蚀。高过异种钢焊接接头T91侧外壁存在点蚀坑的均位于炉顶膨胀节的密封罩壳内，而其他部位的异种钢焊接接头T91侧外壁却没有点蚀坑，说明点蚀坑的产生与密封环境相关。膨胀节密封罩壳内填充物为保温棉，下部与炉膛相通处砌有浇筑料，而高过炉顶膨胀节密封后二年多的时间里也未进行锅炉的烘炉作业。由此可知腐蚀介质来源于密封环境中的O、S、Cl等元素。

c）特定的材料。材料的成分和组织状态对应力腐蚀敏感性影响很大，晶粒粗大的材料应力腐蚀敏感性大[3]48。由于焊接过程中异种钢焊接接头T91侧热影响区形成了粗大的淬硬马氏体组织，焊后热处理工艺又不当，导致该区域T91的应力腐蚀敏感性增大。可以通过改变材料的组织减少应力腐蚀的敏感性，如严格执行焊后热处理工艺，淬硬马氏体组织在高温回火后变成回火马氏体，那么应力腐蚀的敏感性将大大降低。

综上所述，由于焊接过程中异种钢焊接接头T91侧热影响区形成了粗大的淬硬马氏体组织，焊后热处理工艺又不当，导致该区域T91的应力腐蚀敏感性增大，在拉应力与腐蚀介质的共同作用下，裂纹在T91侧熔合线附近的热影响区萌生和扩展，属于应力腐蚀开裂。

4 结论

a）异种钢焊接接头两侧母材的化学成分、硬度、金相组织和晶粒度满足相关标准的要求。

b）T91侧热影响区硬度严重偏高，异种钢焊接接头焊后热处理工艺不当。

c） 裂纹位于T91侧熔合线附近的热影响区，为应力腐蚀裂纹，是拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的开裂。