TP347H与12Cr1MoV异种钢焊接接头早期失效研究

第 42卷中 国 电 力发电技术 TP347H与12Cr1MoV异种钢焊接接头早期失效研究 蔡文河1，赵卫东1，杨 富2，郭兴贵3，王 勇3 （1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045；2.中国电力企业联合会，北京 100761； 3.天津大唐国际盘山发电有限责任公司，天津 301900） 摘 要： 为了解决异种钢焊接接头的早期失效问题， 对运行近 4 万 h 出现开裂失效的 TP347H 与 12Cr1MoV 异种钢接头， 进行了化学成分、 力学性能、 显微硬度和微区元素成分能谱分析等内容的试验测试， 发现了 焊接接头中合金元素的迁移和硬度的分布规律， 经研究分析， 确认早期失效是由于熔合线附近区域的应力 水平较高并与机组运行中的交变热应力、 炉管内气流波动引起的振动应力等相叠加， 使焊接接头的熔合线 附近受到了应力幅值较高的交变载荷的作用而产生的低周疲劳失效。 关键词： TP347H； 异种钢焊接接头； 早期失效； 低周疲劳； 泄漏 中图分类号： TG142 文献标识码： B 文章编号： 1004-9649（2009）04-0022-03 收稿日期： 2008-12-27；修回日期： 2009-02-09 作者简介： 蔡文河（1964-），男，北京人，硕士，高级工程师，金属所副所长，从事电站金属材料的检验、设备监造和安全性能检 验、材料鉴定、技术监督、设备寿命研究、事故失效分析等工作。 E-mail:caiwenhe@126.com 中国电力 ELECTRIC POWER 第42 卷第 4 期 2009 年 4 月 Vol ． 42， No． 4 Apr. 2009 0 概况 某厂 3、4 号锅炉为 HG －2023/17.6 －YM4 型 600 MW 亚临界控制循环汽包炉，分别于 2001 年 12 月 18日和 2002年 6月 5日正式投产。 锅炉后屏过热器布置在炉膛上方，折焰角前部， 共设置 24屏，每屏 18管圈。每台锅炉后屏过热器第 2~6 圈距屏底 1.5 m 为异种钢焊口处， 焊口上部 为 12Cr1MoV（D60×12 mm），下部为 TP347 H（D60× 8 mm），采用全氩弧焊接，以 Inconel82 为填充金属， 每屏 10道焊口，共 240道异种钢焊口。 过热器出口 蒸汽压力 17.6 MPa，蒸汽温度 540℃。 投运 3 万~4 万 h 后，3、4 号炉后屏过热器异种 钢焊口相继发生了 3 次沿 12Cr1MoV 一侧熔合线开 裂泄漏的事故。 发生泄漏时，3 号炉共启停 65 次，4 号炉启停 34 次。 3 次泄漏裂纹发生的位置、形状相 同。为探究开裂原因，对开裂失效的 4号炉泄漏管、4 号炉泄漏管毗邻管、3 号炉泄漏管远离管分别进行 了取样研究，为下文叙述方便，上述 3支炉管分别编 号为 41（泄漏管）、42、32炉管。 1 试验结果 1.1 宏观检查 宏观形貌 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明， 泄漏管沿焊缝低合金钢侧熔合 线开裂，且管子内表面焊缝有明显凸起（见图 1）。 分 别对取样管焊缝两侧的钢管进行化学成分分析，其 结果符合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 要求。 1.2 金相检查及微区能谱成分分析 41 号炉管泄漏部位纵截面金相检查及微区能 谱成分分析。磨制纵截面金相试样，采用能谱法分析 了 41号炉管焊缝泄漏部位不同区域的化学成分（见 图 2和表 1）。 图 1 41 号炉管泄漏部位纵截面金相检查 Fig.1 Metallographic examination on the vertical section of #41 tube leakage part 图 2 41 号炉管泄漏部位纵截面金相能谱分析示意 Fig. 2 Spectrum component analysis on the vertical section of cracked #41 tube 22 蔡文河等： TP347H与 12Cr1MoV异种钢焊接接头早期失效研究第 4期 发电技术 表 2 取样炉管低合金钢侧焊缝内显微硬度测量结果 Tab. 2 Micro hardnessmeasurement results in the low alloy steel weld line of sampling tube HV100 41、42 号炉管未开裂部位焊缝纵截面金相高倍 检查。对试样电解浸蚀后，采用扫描电镜观察了高倍 金相， 发现在 41 号炉管未开裂部位低合金钢侧熔 合线附近的焊缝普遍存在约 0.1μm 的微孔，42 号 炉管焊缝在同样部位也存在约 0.1μm 的微孔，如图 3 所示。 然而，在抛光状态下对其观察，未发现任何细微 孔洞，但隐约可见细小碳化物析出。 1.3 力学性能试验 对取样的 32、41、42 号炉管进行常温和 540℃ 高温力学性能试验，从试验结果看，强度、塑性、韧性 均保持在比较高的水平。但 32号炉管的冲击试样断 口存在沿低合金钢侧焊缝熔合线断裂的现象， 而硬 度差值较小的 42试样不存在此断裂特征。 1.4 硬度测定 磨制炉管纵截面金相试样， 测量了低合金钢侧 熔合线两侧硬度分布情况，测量结果分别列入表 2、 3，熔合线两侧硬度分布曲线如图 4、5所示。 2 分析讨论 2.1 焊缝金属的稀释 取样失效炉管的泄漏发生在异种金属焊缝低合 金钢侧熔合区范围内。当异种金属炉管焊接时，由于 表 1 图 2 中位置 1～4 各点化学成分能谱分析结果 Tab.1 Spectrum analysis results of chemical composition of position 1 ~ 4 in Fig.2 % 注：A 为 12Cr1MoV 侧距熔合线 10~15μm处；B 为焊缝侧距熔合 线 10~15μm处；C 为焊缝侧远离熔合线部位。 17.89 - 67.41 17.36 - 50.74 66.64 - 3.26 2.61 54.80 - 1.28 1.13 18.54 18.77 - 21.71 - 31.47 60.17 - 65.65 - 0.64 1.67 0.42 1.57 1 0.57 0.33 0.26 1.49 13.54 4 0.56 0.31 0.28 1.27 16.00 2 0.39 0.33 0.34 3 0.50 0.27 0.35 1.20 7.20 1.20 9.61 C wt（Ni） A B C wt（Nb） A B C 位置 wt（Si） A B C wt（Cr） A B 图 3 41 号炉管在熔合线靠近焊缝一侧的微孔 Fig. 3 Micro holes along the fusion line near weld bond of #41 furnace tube 279 256 279 256 272 249 272 366 221 198 222 222 198 222 42 1 2 243 254 221 210 210 206 206 206 240 297 216 264 198 245 183 264 183 254 181 254 181 254 32 1 421 41 2 1 455 264 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00 1.50 炉管 编号 测量位 置编号 焊缝侧，距熔合线距离/mm 0.01 232 235 235 245 274 256 262 262 42 1 227 2 228 176 170 182 176 193 228 160 213 165 225 162 228 32 1 188 41 2 1 165 188 0.10 0.20 0.30 0.40 炉管 编号 测量位 置编号 12Cr1MoV 侧，距熔合线距离/mm 0.01 222 221 227 225 216 218 264 243 256 245 219 198 176 176 170 165 165 147 175 158 228 227 160 245 245 245 233 0.50 0.70 0.90 1.10 1.50 2.00 表 3 取样炉管低合金钢侧显微硬度测量结果 Tab. 3 Microhardnessmeasurement results for the low alloy steel side of sampling tube HV100 图 4 41 号炉管未开裂部位低合金钢侧焊缝熔合线两侧 显微硬度分布 Fig. 4 Microhardness distribution on both sides of weld bond for the low alloy steel side of #41 tube without cracks 图 5 42 号炉管低合金钢侧焊缝熔合线两侧显微硬度分布 Fig. 5 Microhardness distribution on both sides of weld bond for the low alloy steel side of 42 boiler tube 23 第 42卷中 国 电 力发电技术 Researches on the early failure of TP347H and 12Cr1MoV dissimilar steel welded joints CAIWen-he1, ZHAOWei-dong1, YANG Fu2, GUO Xing-gui3, WANGYong3 （1. North China Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijng 100045, China; 2. China Electricity Council, Beijing 100761, China; 3.Tianjin Datang International Panshan Power Co., Ltd., Tianjin 301900, China） Abstract: In view of the early failure on TP347H and 12Cr1MoV dissimilar steel welded joints, several tests were performed on the cracked welded joints covering chemical composition, mechanical performance, microhardness and energy spectrum analysis of micro-area chemical analysis, etc. The alloy transference and hardness distribution in the steel joint were found out. Based on the results, the early failure is the low-cycle fatigue failure resulted from the alternate load with larger stress along the weld bond, which is superimposed by the alternate thermal stress in operation and vibration stress inside the boiler tubes. Key words: TP347H; dissimilar steel welded joints; early failure; low-cycle fatigue; leakage 母材的熔入， 使得熔合线附近的 INCONEL82 镍基 合金焊缝金属发生稀释。 从表 1 可以看出低合金钢 侧焊缝金属的稀释情况。 熔合线附近焊缝金属的稀 释程度与焊接热输入量、 焊缝与母材化学成分的差 值等因素有关。 2.2 合金元素在焊接接头中的扩散 一般来说，在高温服役过程中，碳会在焊缝和母 材之间进行扩散迁移，由于镍基焊缝铬含量较高，易 与碳形成碳化物， 使得熔合线附近的焊缝金属中游 离的碳浓度降低，低合金母材中的碳会向焊缝扩散， 在焊缝中进一步形成碳化物， 这就是由高温运行中 碳元素从母材向焊缝扩散并与焊缝中的铬元素结合 形成的， 使熔合线附近的母材处就形成了一定的贫 碳区。 2.3 微孔的分析 对泄漏的 41 号炉管裂纹毗邻部位焊缝进行的 金相检查发现，在电解腐蚀条件下，在焊缝熔合线低 合金钢侧看到了范围很窄的微孔带（见图 3），分析 认为， 这些微孔是在电解腐蚀过程中细小碳化物脱 落的结果。而在抛光状态及化学腐蚀条件下，焊缝熔 合线低合金钢侧并未发现任何显微孔洞。 因此试验 结果并不支持上述微孔长大、结合的蠕变断裂机理。 2.4 显微硬度分析 显微硬度测定结果表明，在某些部位，在熔合线 低合金钢侧出现一个硬度低谷， 而熔合线焊缝一侧 则存在一个硬度峰值（见图 4）；而另一些部位，熔合 线低合金钢侧硬度没有明显的降低（见图 5）。 高温冲击试验表明， 沿低合金钢侧焊缝熔合线 断裂的 32 试样，其熔合线两侧硬度差值较大，这一 现象与发生泄露的 41 试样具有相同的规律。而硬度 差值较小的 42 试样不存在此断裂特征。 2.5 综合分析 首先，在焊后热处理或高温运行服役时，熔合线 附近会发生碳由珠光体向奥氏体焊缝的扩散， 造成 熔合线两侧碳含量的巨大差异， 使熔合线附近的 12Cr1MoV 一侧发生软化，焊缝一侧则是硬化区域， 使熔合线变成一个硬度差异较大的薄弱环节。 41 号 炉管与其他管样相比， 其融合线附近存在明显的硬 度低谷，这是由于 41 号炉管开裂部位焊缝内壁存在 焊瘤缺陷，使该处的介质流动受到阻碍，流速降低， 换热效果变差，从而提高了管壁的温度，在较高温度 的作用下，加速了碳的扩散，这直接反应了融合线附 近硬度的变化， 使该部位呈现较高的应力水平。 其 次，炉管在运行中还承受着一定的交变应力，这种交 变应力主要来源于设备启停产生的交变热应力、炉 管内气流波动引起的振动应力等。有资料表明，不锈 钢与珠光体钢的焊接接头出现早期失效的启动频率 在 30~290 次， 本文所涉及的启停次数为 3 号炉共 启停 65 次，4 号炉启停 34 次。 再次，泄漏管样内壁 焊缝存在的焊瘤，势必会造成应力集中。这几种应力 的叠加使焊接接头的熔合线附近受到了应力幅值较 高的低周疲劳载荷的作用。 当载荷超过疲劳载荷的 门槛值时， 炉管首先在表面应力集中部位 （如焊瘤 处）形成微裂纹，进而以疲劳方式沿薄弱环节扩展， 最终穿透整个壁厚造成泄漏。 电厂运行的带有异种金属焊接接头的过热器炉 管和再热器炉管数量很多， 发生过早失效的炉管毕 竟是极少数，究其原因，应是几种不利因素综合作用 的结果。 对比分析开裂的 41 号炉管和未开裂的 42、 32 炉管的检查结果可以看出，41 号炉管焊缝熔合线 低合金钢侧存在一个硬度低谷， 而 42、32 炉管则不 存在这个低谷；41 号炉管裂纹发生部位内壁焊瘤增 高明显过大，而 42、32 炉管无明显焊瘤。 此外， 还与碳的贫化程度和焊接工艺如焊接热 输入量等因素直接相关。 3 结语 TP347H 与 12Cr1MoV 异种钢焊接接头早期失 效是由于焊接缺陷造成的应力集中， 使得熔合线附 近存在较高的应力水平， 在交变应力作用下发生了 早期低周疲劳断裂。 为了保证此类异种钢焊接接头 的长期安全运行，必须严格控制焊接质量。 （责任编辑 张重实） 24