锅炉异种金属焊接的缺陷问题分析

2020-12-08王堂均

中国金属通报 2020年24期

王堂均

（泸州市特种设备监督检验所，四川泸州 646000）

目前，国内科技已经有所发展，部分制造公司持续提升设备构件的功能性，继而适应市场对设备耐高温及抗磨损等功能的需要。由此促使常规一种金属材料进行焊接处理的技术难以达到市场所需标准，因而衍生出异种金属焊接技术。在锅炉机组中，该种焊接模式有较大的缺陷，虽已通过改建焊接手段，优化焊接处理，但期间的缺陷也需加以关注。

1 异种金属焊接

现阶段，常规金属材料难以达到使用标准，促使异种金属出现在人们眼前。焊接处理中能把使用的材料优点呈现出来，并规避单一材料造成的高投入，保障相关公司的经济利益。由于异种金属的属性有区别，比如，化学元素、热导率等，所以会提高焊接工序的难度。若在焊接处理衔接位置出现铁素体，便易引发裂缝问题。因此，当确定选择异种金属制作锅炉，一旦发生膨胀异常及碳元素大范围覆盖、温度波动明显等情境，会加快此种焊接材料的缺陷发生时间。为控制此类情况的出现概率，技术人员可应用镍合金材料控制碳素地扩散。该种缺陷问题并非完全由焊接水平影响，如奥氏体不锈钢、镍合金、电阻焊等，均会出现不同程度的缺陷。

2 锅炉异种金属焊接的缺陷问题

2.1 基于焊接技术

（1）奥氏体钢焊接。如今在锅炉多种金属材料焊接期间，需结合现实状况。此类焊接方式缺陷出现概率相对偏高，综合大量数据与现场情况而言，引发该种焊接手段出现缺陷问题的原因一般来源于过热装置中，锅炉再热及过热设备形成裂缝，导致锅炉焊接质量下降。两类设备制作原料一般是T22 钢，所以，焊接缺陷也是由此形成。在焊接处理期间，要求完整记录材料使用时间、频率等信息，继而判断焊接缺陷问题受到多项因素的干扰，包括锅炉开启模式，在热态及常态下均易裂缝[1]。奥氏体钢焊接处理后的锅炉，裂缝一般在其持续工作超过三万个小时后会显现出来，而锅炉启动阶段发生缺陷通常在此动作已经完成至少五十次。如果从锅炉全机组的层面来看，重复启动二百次左右后，会展现出显性的缺陷故障，而时间大致可达到四万七千个小时左右后出现质量问题。

（2）镍基溶焊问题。异种金属材料焊接期间，镍基通常是造成裂缝的主要因素。镍基和铁元素接触后，会直接在其周边形成裂缝，一般在六万个小时后可以显现裂纹，并于十万小时左右扩大至裂缝的状态。此类焊接方式的缺陷问题同样和过热及再热装置有联系，并在锅炉的吸热管道也发生相似的情况。

（3）压力焊的缺陷。锅炉进行压力焊处理后，晶界面发生裂缝是主要缺陷问题。如果锅炉工作时长达到五万个小时及重启次数多于二百八十次左右，便会产生缝隙。由此能得出，此种焊接裂缝的发生量较少，同时焊接处理标准更高。

（4）电阻焊的问题。异种金属本身便有不同，由于此类焊接需要经过较为复杂的处理结构，且现场运行操作及应用材料属性都有较大的变动性。铁元素在焊接期间易发生应变问题，形成缺陷，究其根本在于金属材料并非一类。铁素体钢材与奥氏体管材，二者的热膨胀指数差异在27%左右。而此也难以表明部分裂缝发生时间及可用周期。而引发裂缝的原因主要有两类。一方面，碳元素，如果此类物质因焊接处理发生移动，会利用铁元素将其的作用扩散至异种金属焊接部分。产生的条件为过热装置的温度上升至一定值，此项变化在使用不锈钢材料实施焊接处理中更加明显。若仅应用镍基焊丝处理，锅炉一般需经过多年使用后才能展现出来。另一方面，外界负荷，由此引发的缺陷问题实际覆盖范围在管材周边，由此也能证明此类裂缝是因为弯曲作用力产生。

（5）锅炉铁素体。采取特殊体焊接的情况较多，但其缺陷局限性也较多。此类缺陷问题较少，在吸热管道中，通常在工作三万个小时左右后，且重启次数达到高于七次时，会发生焊缝。如果是非吸热的管道，则发生在工作八万个小时，长期次数至少达到六十五次左右，产生裂缝[2]。

2.2 基于具体指标

异种金属焊接是至少有两种不同金属材料，通过多种处理工艺完成加工。而此种操作势必会形成衔接过渡层。而碳分子的重新配置，会产生脱碳层及增碳层，并引发成分结构变动，导致焊接接头区域的功能性下降。因为不同金属在物理及化学性等特征有区别，和同种金属焊接相较，其在焊接机理以及操作工艺上，均偏向复杂。根据具体指标得出的缺陷问题有：

（1）熔点差异。如果此项指标的差额偏大，焊接难度也会随之提升。该种情况是由于熔点偏低的金属处于熔化状态时，另一种金属依旧是固体存在，继续加热，会导致熔点低的金属出现过热的问题，造成材料流失，甚至发生蒸发等问题，材料衔接位置无法实现高质量的焊合。比如铁与铅材料，二者熔点指标差别极大，且在固态状态下无法溶解，而液态也不能完成溶解。液态金属为层状布局，在温度下降后，二者会单独结晶。

（2）膨胀系数。与熔点指标相同，焊接金属之间的差距和焊接难度呈同方向变动。该指标偏大的金属，热膨胀率会随之提升，冷热交替时的体积变化较大，并会造成极大的应力，且难以彻底消除，继而引发严重的形变。因为焊接两侧金属可负荷的应力程度存在差异，引发接缝位置和热影响范围会形成裂缝，严重情况下，会造成金属和母材分离。

（3）热导热容。金属热导性与比热容能影响焊接材料结晶成效，导致晶体的直径增加，由此干扰不易熔金属的润湿效果。所以，需要使用强力热源完成焊接处理，其焊接应对准热导率更佳的母材。

（4）电磁差异。如果焊接的金属材料，电磁差异过大，会导致焊接期间，产生的电弧缺乏稳定性，由此降低接缝的处理质量。此外，如果焊接处理后的金属会产生较多的化合物，同样难以有效焊接。因为化合物本身具备一定的脆性，缺乏弹性，提高裂缝的发生概率，乃至断裂。

（5）新生组织。金属焊接期间，在焊接位置会产生组织波动以及新生组织，此类物质会造成衔接区域的功能性下降，导致焊接难度加大。而金属熔合区域的力学性在热影响区域内不佳，塑韧性相对显著。因为此项指标的降低和应力的影响，造成金属衔接位置出现裂缝，特别是热影响部分[3]。

（6）氧化问题。比如使用铜与铝两种金属材料，在温度升高期间，便会产生二者的氧化物。而温度降低后出现结晶现象时，氧化物的存在会导致焊接部分的结合效果下降，同时，由此形成的氧化共晶体会引发夹杂及裂缝问题。加之化合物的脆性特征较为明显，导致接缝位置的强度、弹性等性能下降。所以，运用溶焊处理此类异种金属难度较大。

（7）强度标准。异种金属处理期间，焊缝通常无法与母材一侧形成相同的强度等级。造成此种缺陷问题的原因在于，熔点偏低的材料易被烧毁及蒸发，导致其内部结构的化学成分出现变动，稳定性及力学性能下降。特别是有色金属焊接中更为明显。

3 锅炉异种金属焊接案例分析

3.1 案例一

有关奥氏体钢管焊接问题在近二十年有较大的研究成效。火力发电设备容量及参数的变化，促使锅炉的局部焊接处理选择此类铬镍不锈进行处理。以经济层面来看，低温段依旧采取铁素体的耐热钢。发电机组局部之间的启动温度有差异，所以应当选择多种化学及组织结构的钢材，而此引发异种金属焊接的问题。近年来，异种金属焊接处理的接头失效事件较多，即使应用镍基材料也难以呈现出预期应用周期。国内电站锅炉应用的A/F 接头周期偏短，少部分锅炉会在较短工作周期内多次发生爆漏问题。例如首阳山电厂的锅炉过热装置及异种接头，在工作时长不足170h 后，一个月的时间内出现三次爆管事故。而引发此种早期接头失效的原因有：异种材料的膨胀指数差异过大；因为碳元素移动，导致低合金钢的区域出现脱碳带情况；应用焊接材料的蠕变不相适应；不良因素在热影响范围内晶界出现偏析问题；铁素体在热影响范围内，蠕变及回火的脆性明显；在该区域内出现碳化物，此类物质会引发裂缝缺陷；在临近焊缝一面，形成氧化缺口，导致构件的截面积缩小，内部应力过于集中；由氧化形成的的缺口，易出现扩展；接头区域有残余应力；机组启停期间，形成温度及应力循环等。

焊接的接头位置失效问题，目前还未形成彻底统一的机理，有关研究学者还存有观点不一致的情况。异种金属焊接操作中，晶界裂缝能反映出蠕变孔洞出现变形。受低应力的影响，此类孔洞会在原本晶界中形核，并会持续扩大，最终造成损伤。碳迁移导致构件各区域的碳元素浓度有差异，严重影响对应区域化学及物理特性，此类问题是锅炉异种焊接处理中较为重要的情况，而此会影响焊接处理后设备的应用周期。采用镍基处理，虽能限制碳迁移，但无法实现彻底解决[4]。

3.2 案例二

电厂内两台规格为600MW 的锅炉，过热装置的规格是的钢质管材。第二台锅炉的过热装置其中一个异种接头出现爆管问题，同时造成临近的五根管道出现泄漏问题。

其一，需针对泄漏位置进行检查。总体来看，管材已经出现形变及膨胀的情况，其管材壁未出现过薄的现象，在其内外部均出现竖向裂缝，断裂位置平整，呈现脆性的特点。而后检测泄漏部分的化学成分，由此判断该管材是否存在制作不达标的问题。硬度方面，泄漏管材硬度达到，而相连母材的硬度也达到。使用盐酸水以及氰化铁作为试验试剂。两种金属材料分别是回火马氏体以及奥氏体，相关组织结构处于正常状态，焊接位置的金属也未发生裂缝，无过热痕迹。综合系列性的组织分析，可以判断，首先，此次接头断裂是由于热口疲劳，同时呈现长期过热的问题。其次，根据化学成分分析，管材满足相关制作标准，材料本身无问题。最后，管材的金相组织都为正常状态，但已经出现老化的问题。

其二，破坏机理。因为异种金属焊接应用奥氏体焊接，且母材与应用金属材料在化学成分、膨胀指数等均有不同，所以二者的熔合衔接部分可能会出现突变问题，锅炉期间，该部分需要被热循环干扰，而形成热应力。同时，若过热装置工作时间已经积累到四万个小时，则会引发接头的早期实效。此外，因为相关管材本身自重、运行期间晃动、受热变形等均会造成一定量的额外应力。所以，同时受到热应力及结构的影响，构件焊接界面易产生疲劳感，由此形成的裂缝逐渐扩展至内部管壁，造成整体断裂的事故。

其三，此类问题的应对策略。因为异种金属焊接位置在炉膛内部，锅炉工作期间，温度可在一千摄氏度左右，同时还伴随着较多的波动，对焊接界面造成极大的交变应力。加之高温会缩短结构材料的使用周期，加快老化，并使构件的强度遭到破坏。若焊接界面锅炉顶部，此时的周边环境仅为上一种情况的一半左右，其无大幅度地波动，有效控制异种金属的焊接界面受外界应力程度，可从侧面延长其应用周期。