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异种钢角焊缝焊接失效原因分析

  • 来源: 大发彩票东北电力试验研究院
  • 作者: 孙旭
  • 发布时间: 2018-03-07

0 引言

异种钢焊接是火电厂检修及建设施工中的一个难点问题,如何正确选择焊接材料及焊接工艺是控制其质量的关键。异种钢焊接接头会加重金属材料在连接处的不均匀性,降低接头的抗裂能力,增大了应力腐蚀敏感性,特别是对于长期在高温工况下使用的工件而言,由于异种钢接头持久强度的下降,会大大缩短其使用寿命。因此,施工过程中应当尽量避免异种钢接头的出现,但由于特殊原因(节约资金、设备上的参数过渡)不得不出现异种钢焊接接头的时候,应该特别注意以下方面:首先,在设计上应当将异种钢接头安排在应力场不复杂和应力水平较低的部位(如将联接管角焊缝或三通主焊缝上的异种钢接头转移到直管段焊缝上));其次,在焊接材料、焊接规范和热处理制度的选择上,应通过试验评定来选择最佳参数;除此之外,应严格控制焊接与热处理的工艺过程和质量,在异种钢接头投入运行后,采取有效的监督措施,从而减少事故发生的几率[1,2]。目前行业对于异种钢焊接接头进行了广泛研究[3-5],但是对于异种焊焊接接头角焊缝的失效原因研究较少,本文通过失效案例分析,对异种钢焊接角焊缝的失效形式进行了研究。

1 背景介绍

某厂在末级过热器受热面改造中,增加了受热面换热面积,迎火侧增加了一圈过热器管,新增的过热器U型管与上部水平管由钢板焊接形式进行悬挂、固定,钢板材质1Cr20Ni14Si2,长107mm,宽80mm,厚8mm,焊条选用E309Mo,长时间运行后异种钢焊接接头发生泄漏情况,本文通过全面的分析,对异种钢焊接角焊缝的失效原因进行了分析。

2 试验及结果

2.1宏观分析

失效裂纹位于末级过热器倒U型弯管与固定钢板异种钢焊接接头位置,裂纹于12Cr1MoV管材侧开裂。管外壁观察裂纹长约40mm,宽约1mm,同时焊接接头边角处存在未焊全情况(见图1),对泄漏点周围管道进行检查,发现周围管道无变形、涨粗及磨损减薄现象。对泄漏管内壁裂纹情况进行观察(见图2),存在1条长约20mm的内壁裂纹。根据裂纹形貌可以判断,裂纹起源于外壁焊接接头位置,经扩张沿伸进内壁,形成贯穿性裂纹。

 

图1 泄漏点裂纹情况

Fig.1 Macroscopic feature of the outer wall crack

 

图2 泄漏管内壁裂纹

Fig.2 Macroscopic feature of the inner wall crack

2.2、 成分分析

对末级过热器管、焊缝、固定钢板进行化学成分分析,分析结果表明:过热器管成分符合GB/T 5310-2008中12Cr1MoVG的成分要求;焊缝成分由于稀释作用,其主要合金元素(Cr、Ni、Mo)含量低于GB/T 983-2012中E309Mo焊条的成分要求;吊挂板成分符合GB/T 991-2006中1Cr20Ni14Si2的成分要求,具体光谱分析结果见表1。

表1  化学成分分析结果

Table 1 The result of chemical composition analysis

2.3 低倍组织观察

对焊缝横截面进行观察,可见焊缝中心存在大尺寸夹杂缺陷,直径约1.5mm。焊缝组织区域边界线明显。在两侧焊缝的焊趾处分别存在向管子内壁扩展的裂纹1和裂纹2。

 

图3 宏观低倍形貌

Fig.3 Macroscopic morphology of the cross section of failed joint

2.4、 微观组织分析

对吊挂板结构进行金相微观组织观察(见图4)。从图4(a)中可以看出,泄漏管母材为珠光体+铁素体组织,珠光体区域内碳化物显著分散,但仍保持原有的区域形态,球化级别3.5级,未见异常、过热组织。吊挂板为奥氏体组织,组织未见异常,具体见图4(b)。对焊缝进行金相组织观察,焊缝组织为奥氏体,熔合线附近出现由管侧母材延伸入的富珠光体“半岛”区,呈羽毛状黑色组织(见图4c、d)[6]。在半岛区域的未端,可以观察到珠光体形态已完全转变为细颗粒状的碳化物,表明原渗碳体中的碳原子与焊缝中的强碳化物形成元素化合形成M23C6类型的碳化物。管侧热影响区为珠光体+铁素体粗晶区。

对裂纹形貌进行观察可以发现,裂纹1和裂纹2均为焊趾裂纹[7]。裂纹起源于焊缝与母材的交界处有明显的应力集中的地方,裂纹扩展方向垂直于拘束方向。对裂纹2进行微观金相组织观察,发现裂纹2附近还存在一条长约0.6mm的裂纹3(见图5),通过金相观察可以确认,裂纹均起始于焊缝熔合线,在应力作用下,沿热影响区的粗晶区晶界不断向母材深处延伸,末端延伸入细晶区。

 

图4 金相组织(a)泄漏管;(b)吊挂板;(c)(d)焊缝熔合线

Fig.4 Microstructure of (a) leaking tube; (b) hanging plate; (c)(d) fusion line

 

图5 裂纹微观形貌(a)裂纹2和裂纹3;(b)裂纹3微观组织图

Fig.5 Macroscopic feature of crack(a)crack 2#;(b)crack 3#

2.5、 扫描电镜及能谱成分分析

图6为焊接接头的扫描电镜图,从图6(a)中可以明显观察到在焊缝与管基体交界位置存在析出物聚集现象,确定焊缝熔合线位置存在碳迁移现象。对焊缝夹杂颗粒进行观察,发现在夹杂与管基体连接位置存在裂纹缺陷。对夹杂物进行能谱分析,确定夹杂物主要为富Ti、Cr化合物,由于基体及焊材中无Ti元素,不会形成含Ti第二相,因此判断该夹杂为焊接过程中产生的夹渣缺陷。

图6 失效样扫描电镜图(a)熔合线;(b)夹渣

Fig.6 SEM images of welding joint (a) fusion line; (d) slag inclusion

2.6 显微硬度测定

对熔合线附近区域进行显微硬度测量,具体结果见图7和表3。结果表明:管基体硬度符合GB438标准要求(135~195 HB),吊挂板硬度在200HB左右,由基体向焊缝熔合线靠近,材料硬度逐渐上升,最高区域硬度为熔合线位置(313HB),表明这一区域的组织发生了变化,存在碳迁移现象,即由于珠光体钢母材与奥氏体钢焊缝的碳浓度的梯度和化学势差,使碳从含铬量低的一侧越过熔合线向含铬量高的一侧扩散,在奥氏体钢一侧产生高硬度的增碳区(第6点硬度较高)[8],但通过硬度测试,并未发现12Cr1MoV侧组织硬度下降的情况[9]

 

图7 熔合线附近区域显微硬度试验金相图

Fig.7 Microstructure of the region near the fusion line

 

表3  熔合线附近区域硬度值

Table 3  Hardness results of the region near the fusion line

 

3 失效原因分析

成分分析结果表明,高温过热器和吊挂板及焊材的化学成分符合相关标准要求。通过宏观观察可以发现,吊挂板与管子的焊接接头边角处存在未焊全情况,在长期运行过程中,该位置极易形成应力集中,形成焊趾裂纹,裂纹扩展方向垂直于拘束方向,在外力作用下,不断向母材深处延伸。

通过金相分析可以发现,焊缝中存在较大的夹杂物,同时熔合线位置存在碳迁移现象。通过硬度分析可以确定,在靠近焊缝侧界面位置产生增碳层,硬度明显升高。部件在高温高压下工作时,增碳层会由于韧性降低而易发生脆性断裂,通过微观裂纹观察可以确定,裂纹为再热裂纹,起始于管材侧熔合线位置,沿粗晶区晶界向母材扩展,末端延伸入细晶区。

异种钢焊接接头的低合金钢侧熔合线是整个接头的薄弱环节,造成焊接接头失效是由综合原因共同造成,除了碳迁移,还有如奥氏体不锈钢与低合金钢热膨胀系数差别大,低合金钢热影响区靠近熔合线有害元素的偏析等原因。在高温运行过程中,过大的应力集中极易造成异种钢接头熔合线及热影响区薄弱位置的早期失效。

4  结论

通过分析可知,异种钢焊接接头成分符合标准要求,基体材料组织未见明显老化,但是焊接结构存在缺陷,存在明显应力集中区域。微观组织观察发现焊缝内部存在非金属夹杂和碳迁移现象。在长期高温运行条件下,接头由于两侧材料的持久强度不匹配、热膨胀系数不匹配及由工作载荷、系统应力造成的复杂应力情况下,在最薄弱的熔合线和热影响区首先萌生焊趾裂纹并不断扩展,最终造成异种钢焊接接头的开裂失效。

参考文献

[1] 侯世勇, 谢步兴. 火电厂异种钢焊接难点及工艺分析[J]. 华电技术, 2009, 31(4):57-60.

[2] 潘春旭, 孙国正. 异种钢焊接性的研究现状和进展[J]. 华电技术, 1998(3):42-47.

[3] 张建强, 吴苏, 赵海燕,等. 马氏体/贝氏体异种耐热钢焊接接头的力学性能及界面失效[J]. 机械工程学报, 2003, 39(2):58-61.

[4] 姚兵印, 李太江, 刘福广,等. HR3C/T91异种耐热钢焊接接头的力学性能及界面蠕变失效行为研究[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(11):92-98.

[5] 丛欣滋. 铁素体-奥氏体异种钢接头高温失效原因的分析[J]. 焊接学报, 1989(1):19-29.

[6] 张心保. 电站锅炉过热管异种钢焊接性研究[D]. 太原理工大学, 2002.

[7] 聂北刚. 焊趾疲劳裂纹的“萌生”[J]. 机械强度, 1998(2):108-111.

[8] 娄建新. 珠光体钢与奥氏体钢异质接头碳迁移机制及影响因素研究[D]. 沈阳工业大学, 2014.

[9] 丛欣滋. 奥氏体不锈钢与珠光体耐热钢焊接接头高温失效问题[J]. 机械工程材料, 1984(5):72-77.

 


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