李 勇1,2

(1.大唐锅炉压力容器检验中心有限公司,合肥 230088; 2.中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华东电力试验研究院,合肥 230088)

摘 要:某电厂锅炉屏式过热器在运行8万 h后,其 T91/TP347H 异种钢接头出现沿晶裂纹, 裂纹位于 TP347H 奥氏体钢侧热影响区。通过显微组织观察、硬度测试和拉伸试验分析了沿晶开 裂的特征、形成原因及其对力学性能的影响。结果表明:沿晶裂纹出现在 TP347H 钢侧熔合线处, 为晶间腐蚀裂纹,裂纹深3~4个晶粒尺度,内部有氧化物填充;存在沿晶裂纹的屏式过热器管接头 的硬度和抗拉强度符合标准要求,但塑性较差;粗大的晶粒和焊后较快的冷速使得屏式过热器管接 头 TP347H 钢侧热影响区在高温服役过程中易发生晶界贫铬,引发晶间腐蚀,TP347H 钢侧熔合 线附近较高的硬度梯度导致应力易在此处集中,从而加速晶间腐蚀裂纹的产生。

关键词:T91/TP347H 异种钢接头;沿晶裂纹;晶间腐蚀 中图分类号:TG47 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0082-08

0 引 言

为提高锅炉的热效率和安全性,降低建造成本, 超(超)临界机组电站锅炉采用了大量的异种钢接头 来连接铁素体/马氏体耐热钢与奥氏体不锈钢[1]。 然而,研究结果和多年运行经验均表明,异种钢接头 的实际服役寿命远低于设计寿命,普遍存在早期失 效问题[2-4]。异种钢接头的早期失效(开裂)严重影 响锅炉的安全稳定运行,造成的非计划停机给电厂 82 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 带来巨大的经济损失。电厂服役期间早期失效的异 种钢接头失效位置多数出现在铁素体/马氏体钢侧 热影响区与焊缝的界面处,少量出现在铁素体/马氏 体钢侧的 热 影 响 区,且 大 部 分 裂 纹 起 源 于 钢 管 外 壁[5-11]。刘课秀等[5]分析了某电站锅炉末级再热器 12Cr1MoVG/TP304H 异种钢焊接接头在服役过程 中发生断裂的原因,发现接头沿12Cr1MoVG钢管侧 熔合线发生脆断,认为碳迁移导致的碳化物沿晶界的 析出和聚集是致使该区域性能劣化的主要原因。 对某600 MW 超临界机组锅炉受热面管进行 割管理化检验时,在屏式过热器 T91/TP347H 异种 钢接头的 TP347H 钢侧内壁熔合线处发现沿晶裂 纹。此前,这种马氏体/奥氏体异种钢接头中奥氏体 钢侧熔合线沿晶开裂的现象未见报道。奥氏体钢侧 内壁熔合线处的沿晶裂纹可能会引起异种钢接头的 早期失效,其失效模式可能不同于常见的铁素体/马 氏体钢侧失效。因此,作者对在屏式过热器上截取 的 T91/TP347H 异种钢接头试样进行了显微组织观 察、硬度测试和力学性能检验,分析了异种钢接头 TP347H 钢侧熔合线附近沿晶裂纹的特征、形成原因 及其对力学性能的影响。同时,为了对比服役条件和 组织状态对异种钢接头中缺陷形成的影响,对截取自 同一机组末级过热器的 T91/TP347H 异种钢接头进 行对比分析。研究结果能够拓展业内对异种钢接头 服役过程中缺陷成因的认识,为异种钢接头的性能评 估及早期失效的预防提供指导。

1 试样制备与试验方法

试验材料分别为取自某600 MW 超临界机组 锅炉末 级 过 热 器 管 (DW-1 管)和 屏 式 过 热 器 管 (DW-2管)的 T91/TP347H 异种钢焊接接头,DW1和 DW-2管的规格分别为?44.5 mm×8.0 mm, ?38.0 mm×6.6 mm,服 役 温 度 分 别 为 571 ℃ 和 540 ℃,运行时间均约8万 h。两管接头的焊接工 艺相同,均 采 用 钨 极 氩 弧 焊 (GTAW),预 热 温 度 115~120 ℃,焊接材料为外径2.4mm 的 ERNiCr3镍基焊丝,焊后缓冷处理。 沿管子轴向在异种钢焊接接头上切取金相试 样,经磨 制、抛 光,使 用 组 成 为 5gFeCl3 +15 mL HCl+100mLH2O 的溶液腐蚀,在CarlZeissAxio ObserverA1m 型光学显微镜下观察显微组织。利 用 CarlZeissSigma300型热场发射扫描电子显微 镜(SEM)进行 微 观 形 貌 观 察,使 用 附 带 的 能 谱 仪 (EDS)进行微区成分分析。利用 BH3000型台式布 氏硬度计在金相试样表面进行布氏硬度测试,载荷 为1875 N,保 载 时 间 为 10s。使 用 岛 津 HMVG21ST 型显微维氏硬度计进行显微硬度测试,载荷 为1.96N,保载时间为10s,分别在盖面层和打底层 沿管子轴向取点测试。按照 GB/T228.1-2010,在 接头部位切取长110mm、宽10mm 的弧形拉伸试 样,标距为50 mm,在 UMT5505型电子万能试验 机上进行室温拉伸试验,拉伸速度为1mm·min -1, 测3个试样取平均值。

由图1可见:DW-1管接头 T91钢母材的显微 组织为回火马氏体+少量铁素体,部分马氏体板条 位向开始分散,退化为细小的铁素体晶粒,管内、外 壁表面均存在较厚的氧化层,氧化层内部可见孔洞 和裂纹;DW-2管接头 T91钢母材的显微组织为回 火马氏体+少量铁素体,其原奥氏体晶粒较 DW-1 管更细小,部分马氏体板条退化为等轴的铁素体晶 粒,管内、外壁存在明显的氧化层,氧化层呈分层状 态;DW-1管接头内、外壁的氧化层厚度均大于 DW2管接头,这是由于末级过热器管所处部位的外壁 烟气温度及管内工质温度均高于屏式过热器管,而 T91钢在空气和高温蒸汽中的平均氧化速率随温度 升高逐渐增大[12-13]。 由图2可见:DW-1管接头 TP347H 钢母材为 均匀的奥氏体组织,内壁附近存在少量尺寸粗大的 晶粒,晶内可见较多的碳化物,晶界有少量的碳化物 析出,组织老化评级为2级,晶粒度为7~8级;DW2管接头 TP347H 钢母材同样为奥氏体组织,晶粒 尺寸明显大于 DW-1管,晶内可见较多的碳化物,晶 界有少量的碳化物,组织老化评级为2级,晶粒度为 3~4级;两管接头 TP347H 钢的内、外壁均没有明显 的氧化层,表明 TP347H 奥氏体钢的抗高温氧化及抗 蒸汽氧化性能均显著优于 T91钢。由郭丹等[14]的研 究结果可知:T91钢和 TP347H 钢的蒸汽氧化层与基 体的界面处均存在富铬区域,但 TP347H 钢中形成的 富铬带具有良好的连续性,可以抑制铁、铬和氧元素 的扩散,抑制氧化层的快速生长。 由图3可见:两管接头 T91钢侧热影响区均为 回火马氏体组织,内、外壁存在较厚的氧化层,氧化 层止于熔合线附近。DW-1管接头 T91钢侧粗晶区 的晶粒尺寸大于 DW-2管接头 T91钢侧粗晶区,这 与DW-1管接头T91钢中原奥氏体晶粒尺寸显著大 83 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 图1 DW-1和 DW-2管接头 T91钢母材的显微组织 Fig 1 MicrostructuresofT91steelbasemetalofDW-1 a-c andDW-2 d-f tubejoints a d outerwall b e coreand c f innerwall 图2 DW-1和 DW-2管接头 TP347H 钢母材的显微组织 Fig 2 MicrostructuresofTP347HsteelbasemetalofDW-1 a-c andDW-2 d-f tubejoints a d outerwall b e coreand c f innerwall 于 DW-2管接头 T91钢相一致。DW-1管接头 T91 钢侧内壁熔合线处存在长约0.15mm 的缺口,缺口 沿熔合线向管子内部延伸,缺口内存在填充物。为 了进一步分析这种缺口沿管子周向的分布,在 DW1管接头上沿周向另取两个试样进行观察,在其中一 个试样中 发 现 类 似 的 缺 口,表 明 DW-1 管 接 头 在 T91钢侧内壁熔合线处普遍存在这种缺口。这与赵 彦芬等[15]所报道的异种钢接头在铁素体/马氏体钢 侧熔合线附近的氧化缺口情形类似,而氧化缺口的 进一步发展可能引起接头的早期开裂。DW-2管接 84 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 图3 DW-1和 DW-2管接头 T91钢侧热影响区的显微组织 Fig 3 MicrostructuresofheataffectedzoneonT91steelsideofDW-1 a-c andDW-2tube d-f joints a d outerwall b e coreand c f innerwall 图4 DW-1管接头 T91钢侧内壁熔合线处SEM 形貌及 EDS线扫描结果 Fig 4 SEM micrograph a andEDSlinearscanningresults b-e atfusionlineoninnerwallatT91steelsideofDW-1tubejoint 头 T91钢侧熔合线附近未见明显的缺口。 由图4可见,DW-1管接头 T91钢侧内壁熔合 线处的缺口沿熔合线向内发展,缺口内部氧元素含 量较高,且含有一定的铁、铬和镍元素。推断缺口内 部的填充物为铁的氧化物,表明 T91钢侧熔合线处 的缺口为氧化缺口。 由 图5可 见 :DW-1管 接 头TP347H钢 侧 热 影 响区的晶粒尺寸不均匀,存在少量显著粗大的晶粒; 熔合线附近存在一层明显的增碳层,内、外壁组织 一 致。DW-2管接头TP347H钢侧热影响区的晶粒 85 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 图5 DW-1和 DW-2管接头 TP347H 钢侧热影响区的显微组织 Fig 5 MicrostructuresofheataffectedzoneonTP347HsteelsideofDW-1 a-c andDW-2 d-f tubejoints a d outerwall b e coreand c f innerwall 图6 DW-2管接头 TP347H 钢侧内壁熔合线附近SEM 形貌和 EDS分析结果 Fig 6 SEMimages a-b andEDSanalysisresultsatpositon7 c nearTP347Hsteelsidefusionlineatinnerwallof DW-2tubejoint a lowmagnificationand b highmagnification 尺寸较为均匀,且平均晶粒尺寸大于 DW-1管接头 TP347H 钢侧热影响区,熔合线附近的增碳层不明 显,内壁熔合线附近0.5 mm 宽度区域可见网状沿 晶裂纹,裂纹深3~4个晶粒尺度,裂纹内部可见填 充物。同样,沿 DW-2管接头周向另取两个试样进 行观察,在 其 中 一 个 试 样 中 发 现 存 在 类 似 的 沿 晶 裂纹。 由图6可见,DW-2管接头 TP347H 钢侧熔合 86 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 线附近沿晶裂纹前端存在孔洞,表明裂纹有进一步 向内扩展的倾向,裂纹内部填充物主要含氧、铁、铬 和碳等元素,推断为铁的氧化物。

2.2 硬 度

由表1可知,两管接头各区域的布氏硬度均符 合 DL/T438-2016 标 准 要 求,但 DW-2 管 接 头 TP347H 钢母 材 的 硬 度 接 近 标 准 下 限,两 管 接 头 TP347H 钢母材的硬度相差34HB。奥氏体不锈钢 室温硬度与其晶粒度和晶内固溶合金元素含量有 关。由前文显微组织可知,DW-1和 DW-2管接头 TP347H 钢母材的老化程度相近,因此其基体中脱溶 析 出的合金元素含量接近。两管接头TP347H钢母 表1 两管接头的布氏硬度测试结果 Table1 Brinellhardnesstestresultsoftwo tubejoints HB 编号 硬度 T91钢母材 焊缝 TP347H 钢母材 DW-1 219 227 178 DW-2 218 237 144 DL/T438-2016 185~250 185~290 140~192 材硬度的差异主要源于二者晶粒度存在显著差异。 由图7可见:DW-1管接头打底层(内壁附近) T91钢侧 熔 合 线 附 近 硬 度 梯 度 较 大,而 TP347H 钢侧熔合 线 附 近 硬 度 梯 度 较 小;与 之 相 反,DW-2 管接头 TP347H 钢 侧 熔 合 线 附 近 硬 度 梯 度 较 大, T91钢侧 则 较 小。DW-1 管 接 头 盖 面 层 (外 壁 附 近)T91钢 侧 热 影 响 区 和 TP347H 钢 侧 热 影 响 区 的硬度变化 较 打 底 层 更 大,但 在 熔 合 线 附 近 的 硬 度梯度较 打 底 层 更 小;而 DW-2 管 接 头 盖 面 层 在 T91钢侧和 TP347H 钢侧熔合线附近均存在较大 硬度梯度。对 比 两 管 接 头 的 显 微 组 织 可 以 发 现: DW-1管接头内壁附近硬度梯度 较 大 的 位 置 与 氧 化缺口位置一致,DW-2管接头内壁附近硬度梯度 较大的位置与晶间裂纹位置一致。推测两管接头 中氧化缺口和沿晶裂纹的产生与较大的硬度梯度 有关;当受到应力作用时,在硬度梯度较大的位置 易于产生应 力 集 中,应 力 集 中 会 促 进 氧 化 缺 口 和 晶间腐蚀裂纹的产生。尽管两管接头的名义焊接 工艺相同,但 焊 接 接 头 硬 度 的 显 著 差 异 表 明 两 管 实际的焊接工艺和热处理的控制可能存在问题。 图7 两管接头盖面层和打底层的显微硬度沿管子轴向的分布 Fig 7 Microhardnessdistributionalongaxialdirectioninbuttonlayerandcappinglayeroftwotubejoints a DW-1tubejointand b DW-2tubejoint

2.3 拉伸性能

在室温拉伸过程中,取自 DW-1管接头处的3 根拉伸试样均断裂 于 T91 钢 侧 熔 合 线 附 近,取 自 DW-2 管 接 头 处 的 拉 伸 试 样 中 有 2 根 断 裂 于 TP347H 钢母材,1根断裂于 TP347H 钢侧熔合线 附近。DL/T868-2014中规定,异种钢焊接接头 的抗拉强度应不低于强度较低一侧母材抗拉强度规 定值的下限。由表2可以看出:DW-1和 DW-2管 焊接接头的抗拉强度和屈服强度均符合标准要求, 但断后伸长率较两侧母材明显降低。金相检验结果 表明,DW-1管焊接接头 T91钢侧熔合线处周向普 遍存在氧化缺口,氧化缺口造成此处实际壁厚减小, 且熔合线附近硬度梯度较大,易引起应力集中,因此 拉伸时优先在 T91钢侧熔合线处断裂。DW-2管焊 接接头 TP347H 钢侧熔合线附近部分位置存在沿 晶裂纹,成为接头的薄弱位置,因此拉伸时可能在 此处优先开裂。接头平均抗拉强度仍高于标准要 求的下限值,表明熔合线附近存在的深度仅3~4 个晶粒尺度的沿晶裂纹对接头整体强度的劣化作 用不显著。 87 李 勇:服役期间 T91/TP347H 异种钢接头 TP347H 钢侧热影响区沿晶开裂分析 表2 两管焊接接头的室温拉伸性能 Table2 Tensilepropertiesatroomtemperatureof twoweldedjoints 项目 抗拉强度/ MPa 屈服强度/ MPa 断后伸长率/ % DW-1管 630 345 9.6 DW-2管 605 295 17.6 ASMESA213/ T91钢 ≥585 ≥415 ≥20 SA213M TP347H 钢 ≥515 ≥205 ≥35

2.4 讨 论

在 T91/TP347H 异种钢接头中,T91钢含有质 量分 数 8.0% ~9.5% 的 铬 和 不 高 于 0.4% 的 镍, TP347H 钢中 铬 和 镍 的 质 量 分 数 分 别 为 17% ~ 20%和9%~13%,而 ERNiCr-3镍基焊丝中含有质 量分数20%的铬和质量分数72%的镍。由铬镍含 量的巨大差异可知,T91钢母材与焊缝的耐腐蚀性 能存在显著差异。在高温运行过程中,T91钢的氧 化速率更快,相同时间内形成更厚的氧化皮。蠕变 滑移会破坏氧化膜的连续性,使得氧离子及其他腐 蚀介质向内部扩散,并逐渐在 T91钢熔合线处形成 氧化缺口。末级过热器管异种钢接头中存在氧化缺 口而屏式过热器管异种钢接头中没有发现氧化缺 口,这可能与两管的实际服役温度和接头处的应力 状态相关。氧化缺口在铁素体/奥氏体不锈钢中普 遍存在,此前已有很多报道[1]。 屏式过热器管异种钢接头 TP347H 钢侧内壁 熔合线附近存在沿晶裂纹,内部填充有铁的氧化物。 裂纹由内壁向外壁扩展,呈网状,符合晶间腐蚀特 征。TP347H 钢中含有较高含量的铌元素,在固溶 处理后需进行稳定化处理,使铌元素以碳化铌的形 式析出以固定钢中的碳元素,提高抗晶间腐蚀性能。 但焊接接头由于焊接热循环的作用,其熔合线附近 温度较高,碳化铌会重新溶解。在随后的冷却过程 中,如果冷却速率较快导致碳化铌来不及析出,则稳 定化处理的效果遭到破坏,导致在高温长期服役过 程中,晶间析出富铬的 M23C6 相,造成晶界贫铬并 引发晶间腐蚀。尽管末级过热器管和屏式过热器管 焊后均采用缓冷处理,但两管的规格、壁厚不同以及 可能存在的环境因素差异仍会导致实际冷速存在差 异。对比 DW-2管接头和 DW-1管接头的显微硬度 结果,DW-2管接头两侧熔合线附近存在较大的硬 度梯度,表明 DW-2管接头焊后冷却速率较 DW-1 管接头更快。此外,相比于末级过热器管,屏式过热 器管接头 TP347H 不锈钢的原奥氏体晶粒尺寸大 得多,其热影响区的晶粒尺寸也更粗大。研究[16-17] 表明,粗晶粒奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能较细晶粒 奥氏体 不 锈 钢 更 差,易 出 现 晶 间 腐 蚀。 并 且,在 DW-2管接头 TP347H 钢侧热影响区存在较高的硬 度梯度,而较高的硬度梯度导致此处易于发生应力 集中,进一步促进晶间腐蚀裂纹的产生。 尽管目前屏式过热器管接头的抗拉强度和屈服 强度仍满足标准要求,但在后续运行过程中,沿晶裂 纹的进一步扩展将导致强度迅速降低,存在突然开裂 风险。黄嗣罗等[18]研究发现,经过760℃×2h焊后 热处理的 T91/TP347H 异种钢接头具有较好的耐 晶间腐蚀性能,而未经焊后热处理的耐晶间腐蚀性 能较差。因此,建议结合检修扩大对异种钢接头的 检测,及时更换存在裂纹的接头,并且建议对新更换 的 T91/TP347H 异种钢焊接接头进行焊后热处理 以提高耐晶间腐蚀性能。

3结论

(1)运行8万h的屏式过热器管 T91/TP347H 异种钢接头在 TP347H 钢侧内壁熔合线附近存在 沿晶裂纹,裂纹深度在3~4个晶粒尺度,内有氧化 物填充;存在沿晶裂纹的屏式过热器管的硬度和抗 拉强度符合标准要求,但塑性较差,在后续运行过程 中,裂纹的进一步扩展会导致接头的突然开裂失效。 (2)粗大的晶粒和焊后较快的冷速导致屏式过 热器管接头在高温服役过程中晶界易发生贫铬,引 发晶间腐蚀;并且在 TP347H 钢侧热影响区存在较 高的硬度梯度,导致此处易于发生应力集中,进一步 促进晶间腐蚀裂纹的产生。 (3)建议及时更换存在沿晶裂纹的管子,并对 新更换的 T91/TP347H 异种钢焊接接头进行焊后 热处理以提高其耐晶间腐蚀性能。

来源：材料与测试网