趙飛 俞科明 王星辰 胡豐豐

摘要：某電廠SA213-T91和12Cr1MoV異種鋼焊接接頭斷裂后，通過對斷口截面的觀察、焊縫及斷裂側(cè)管材的金相檢驗、拉伸試驗、沖擊試驗和硬度檢驗等方法分析斷裂原因。研究結(jié)果表明，試樣的強度、沖擊韌性、硬度和金相組織符合要求，斷裂的主要原因是焊接接頭熔合線附近區(qū)域的裂紋在頻繁的溫度變化和壓力變化的作用下迅速擴展生長，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件斷裂。最后對返工、焊接方法、焊接過程的控制及焊后熱處理進行了介紹。

關(guān)鍵詞：SA213-T91;12Cr1MoV;斷裂;焊后熱處理

中圖分類號：TG 442

Abstract：After the fracture of SA213-T91 and 12Cr1MoV dissimilar steels welded joints in a power plant， fracture causes were analyzed through methods of the observation of fracture section， metallographic test of welds and pipes on the fracture side， tensile test， impact test and hardness test. The result showed that the strength， impact toughness， hardness and metallographic structure of the samples met the relative requirements， and the main reason of fracture was that the crack near the fusion line of welded joint expanded and grew rapidly under the action of frequent temperature and pressure changes， resulting in fracture. Finally， rework， welding method， control of welding process and post weld heat treatment were introduced.

Key words：SA213-T91;12Cr1MoV;fracture;residual stress;post weld heat treatment

0 前言

現(xiàn)階段，碳達峰、碳中和擺在環(huán)資工作的突出位置，火力發(fā)電廠作為保證電力供應(yīng)的主要力量，調(diào)峰壓力與日俱增，為了能適應(yīng)復(fù)雜多變的工況，要求火力發(fā)電廠設(shè)備穩(wěn)定性更高，吹掃沖管是機組運行前的重要階段，是保證設(shè)備穩(wěn)定運行的必須步驟，沖管所使用的控制閥門及其閥門后管道一般為臨時管道。

SA213-T91和12Cr1MoVG化學(xué)成分及理化性能差異較大，焊接時容易產(chǎn)生成分偏析或者出現(xiàn)其他焊接缺陷[1-3]，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的焊接接頭。因此在實際生產(chǎn)中，通常使用ER90S-B9類焊材或TIG-R40等過渡性材料，減少化學(xué)成分的偏析現(xiàn)象，以保證焊接質(zhì)量的控制。

1 焊接工藝及熱處理

某電廠焊接接頭規(guī)格48 mm×7 mm，材質(zhì)為SA213-T91和12Cr1MoVG異種鋼對接，閥門側(cè)12Cr1MoVG，管子側(cè)SA213-T91，焊材選用TIG-R40/R407，焊接方式GTAW+SMAW，兩側(cè)管材已經(jīng)歷十余臺機組沖管任務(wù)，工況為反復(fù)加熱，壓力反復(fù)變化。焊接接頭示意圖如圖1所示。

焊接工藝焊接方式為鎢極氬弧焊+焊條電弧焊（GTAW+SMAW），焊材選用TIG-R40和R407，焊接位置6G。表1中對各焊層的焊接方式、焊材、電弧電壓、焊接電流和焊接速度進行了規(guī)定。

焊縫材質(zhì)光譜分析見表2，Cr含量2.34%，Mo含量1.1%。

如圖2所示，熱處理曲線記錄了工件溫度的變化過程，穩(wěn)定了組織，消除了焊接應(yīng)力。

2 斷口的分析

試樣的分析主要是通過對斷裂截面的觀察，結(jié)合斷裂的位置，對接頭區(qū)域金相組織分析，以及斷裂產(chǎn)生的母材進行力學(xué)分析，分析導(dǎo)致斷裂的原因。

2.1 直接觀察

在吹管泄壓過程中，一處焊接接頭發(fā)生漏汽現(xiàn)象，停機后發(fā)現(xiàn)焊接接頭區(qū)域斷裂。對試樣斷口進行觀察分析，斷裂位置是焊接接頭熔合線附近SA213-T91側(cè)，斷裂位置從母材開裂一直延伸到焊縫，斷裂源顯示清晰，有裂紋源特征，擴展區(qū)較為平滑，瞬斷區(qū)有撕裂痕跡。

2.2 低倍放大鏡觀察

將試樣用醋酸酒精溶液清洗，用放大鏡觀察，斷裂源區(qū)有線狀裂紋。圖3為斷口A-B面，從A面可以看出裂紋源處有明顯的細線狀裂紋，裂紋延長度方向擴展，到達瞬斷區(qū)后，在瞬斷區(qū)撕裂，斷裂形式為張開型，隨后斷裂區(qū)域經(jīng)過分離區(qū)1、分離區(qū)2、分離區(qū)3，在最終分離區(qū)分離;從B面可以看出斷裂源處母材致密性和光潔度不好，是失效起始點的特征，在瞬斷區(qū)域較為平滑，有明顯的層狀撕裂痕跡，最終分離區(qū)有凸起和下凹的痕跡，符合分離后撕扯的特征。

2.3 金相分析

使用4%硝酸酒精溶液腐蝕焊縫，在200倍和400倍金相顯微鏡下觀察，顯示焊縫組織為鐵素體加貝氏體（F+B）。由于斷裂源不在熔合區(qū)內(nèi)，所以對熔合線附近的SA213-T91金相組織進行了分析。用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕SA213-T91母材，在400倍金相顯微鏡下觀察。由圖4可以看出SA213-T91管材為回火馬氏體組織。

2.4 T91管材力學(xué)性能

由于斷裂源位于焊接接頭SA213-T91管材側(cè)，因此要對管材的力學(xué)性能進行分析。截取試樣T91段300 mm， DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定屈服強度≥415 MPa，抗拉強度≥585 MPa，斷后伸長率≥20%。試驗溫度20 ℃，切割機將管子6等分，間隔取3份進行拉伸試驗，修直后除去毛刺凸起凹陷，通過重量長度法計算截面積。采用平夾頭夾取兩端。標(biāo)距=5.65S≈70 mm（經(jīng)計算截面積分別是159.3 mm2，158.6 mm2， 159.0 mm2）。

SA213-T91管材拉伸試驗結(jié)果見表3，結(jié)果表明：屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對試樣SA213-T91側(cè)進行沖擊韌性檢測，根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》，由于工件規(guī)格為48 mm×7 mm，加工的試樣尺寸不能滿足標(biāo)準(zhǔn)試樣55 mm×10 mm×10 mm，所以采用55 mm×10 mm×5 mm的小尺寸試樣。試驗溫度20 ℃。擺錘在A處所具有的勢能為：

沖斷試樣后，擺錘在C處所具有的勢能為：

勢能之差E-E1，即為沖斷試樣的沖擊吸收能量：

式中：G為擺錘重力，N;L為擺長（擺軸到擺錘重心的距離），mm;α為沖斷試樣前擺錘揚起的最大角度;β為沖斷試樣后擺錘揚起的最大角度。

沖擊試驗結(jié)果見表4。結(jié)果表明：SA213-T91管材沖擊韌性符合要求。

由于里氏硬度計檢測小徑管薄壁管時常會出現(xiàn)較大偏差[4]，所以對T91段管材進行布氏硬度檢測。硬度計為天星PHBR-4-3，1 838.7 N，2.5 mm硬質(zhì)合金球，加載10 s。

布氏硬度檢測結(jié)果見表5。結(jié)果表明：SA213-T91管材硬度符合要求。

2.5 工件工況分析

查詢汽機管道系統(tǒng)吹管方案，開啟控制閥門的主蒸汽出口壓力6.5～8.0 MPa，壓降幅度為2.9 MPa，過熱出口蒸汽溫度430 ℃，每次吹管系數(shù)DF>1的時間不小于90 s，臨時閥門全開的時間不少于2 min。百萬機組的設(shè)計指標(biāo)高，沖管的負載較大，在循環(huán)的壓力變化時，工件的受到往復(fù)作用的力。

2.6 分析結(jié)論

通過材料的力學(xué)性能分析，表明材料的強度、沖擊韌性和硬度符合要求，通過金相分析，表明T91側(cè)材料的金相組織為馬氏體，符合要求。通過觀察斷裂截面，斷裂源處母材致密性和光潔度不好，是失效起始點的特征，在瞬斷區(qū)域較為平滑，有明顯的層狀撕裂痕跡，最終分離區(qū)有凸起和下凹的痕跡，符合分離后撕扯的特征。因此在長期溫度和應(yīng)力快速循環(huán)變化的工況下，工件中的裂紋快速生長，裂紋的尖端角度較小，在長度方向應(yīng)力集中較大，施加的往復(fù)載荷后，極易擴展，受力截面積變小，當(dāng)承載面積不足以承載管內(nèi)蒸汽壓力之后，導(dǎo)致斷裂。

3 裂紋的處理

對其余3個焊接接頭接頭區(qū)域進行了滲透檢測，發(fā)現(xiàn)1處裂紋，如圖5所示。對其進行挖除，未發(fā)現(xiàn)氣孔等缺陷，綜合分析，該類焊接接頭存在較大殘余應(yīng)力，在頻繁的溫度變化和壓力變化過程中，易產(chǎn)生裂紋。

由于裂紋具有生長性，是不允許存在的缺陷，為了消除缺陷，且避免由于應(yīng)力集中產(chǎn)生新的裂紋，根據(jù)實際情況，決定采用角磨機進行挖除，挖除過程中并未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。結(jié)合斷裂焊口綜合分析，焊接接頭存在較大殘余應(yīng)力。局部返工存在隱患，因此決定切除焊口隨后坡口進行 PT 檢測確認。再重新焊接。

3.1 焊接方法

補焊為采用鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊蓋面的多層多道焊接方法。焊接采用的焊材為 TIG-R40和R407，鎢極氬弧焊采用2.5 mm的焊絲，層間焊接和蓋面采用2.5 mm 的焊條。焊條烘干后隨用隨取，用專用焊條筒領(lǐng)用。焊前焊件需預(yù)熱至 250～350 ℃。根部用鎢極氬弧焊進行堆焊，保證焊接根部圓滑過渡。

3.2 焊接過程控制

該臨時管道為小口徑薄壁管，其焊接接頭拘束度小，返工是整口割除，重焊難度較小。造成影響最大的部位是熔合線附近區(qū)域[5]，焊接過程中控制較低的層間溫度，采用小電流，多道焊，層間溫度控制在 250～350 ℃。每道焊完之后，用角磨機清理焊渣，然后下一道焊接，直至焊滿。

3.3 焊后熱處理

焊后應(yīng)進行熱處理，消除淬硬性組織[6]。焊后不應(yīng)立即升溫進行回火，也不應(yīng)冷卻至室溫后再進行熱處理。由于是小徑管焊后熱處理，熱處理測溫點應(yīng)對稱布置在焊縫中心兩側(cè)，每側(cè)設(shè)一個測溫點，可采用纏繞式或履帶式加熱片，采用履帶式加熱片時應(yīng)使加熱片與工件緊密接觸。焊后熱處理溫度為 720～750 ℃。熱處理過程中，應(yīng)力求內(nèi)外壁溫度均勻，恒溫時在加熱范圍內(nèi)注意兩側(cè)點間的溫度差應(yīng)低于20 ℃，熱處理時間嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)要求實施。

4 結(jié)論

（1）試樣斷裂的原因是焊接接頭的裂紋在頻繁的溫度變化和壓力變化的作用下，在裂紋迅速擴展生長，導(dǎo)致斷裂。

（2）帶缺陷的焊接接頭要根據(jù)其缺陷形式做返工或觀察處理，不能帶危害性缺陷工作，返工過程嚴格按照工藝要求進行。

（3）受往復(fù)載荷的管道和焊接接頭，受力工況復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)定期組織檢測。

參考文獻

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