锅炉末级过热器T92/HR3C异种钢接头断裂原因分析

孙 标 ，杨贤彪 ，肖 杰 ，杨 超

（1.神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100069；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211102）

某电厂1号炉为哈尔滨锅炉厂有限公司生产的HG3100/27.6-YM3型超超临界参数变压运行直流锅炉，2009年12月28日投产。2011年6月4日运行人员发现锅炉泄漏，当时机组主要运行参数为：机组负荷990 MW、主汽温度590℃、主汽压力25.74 MPa、再热蒸汽温度599℃、再热蒸汽压力5.48 MPa。截止至本次爆管停机，已累计运行约1万h。

1 失效部件情况介绍

经检查发现，末级过热器出口段第88屏外向内数第13根管位于顶棚上方的HR3C/T92异种钢焊接接头沿T92侧熔合线处整体断裂，如图1所示。

末级过热器管共有100屏，每屏由16根管组成。管子材料除外三圈管子下弯头区域局部采用SA213TP310HCbN外，进口段管子以SA-213TP347H为主，下弯头及出口段管子则以SA-213S30432为主；管子规格除外圈第1根管管子规格为Φ57×7.5和Φ57×9，其余15根管的管子规格为Φ44.5×7.5和Φ44.5×9。顶棚上方进口连接管材质为T91，出口连接管材质为T92。为了避免现场异种钢焊接工作，在SA-213S30432和T92材料的出口连接管之间设计了一段300 mm长的异种钢过渡段，布置在锅炉顶棚管上方，由150 mm长的SA213TP310HCbN（即HR3C）过渡短节（Φ54×14）和 150 mm 长 T92 过渡短节（Φ54×12）组焊而成，如图2所示。

该异种钢过渡段在锅炉厂内制造完成，采用自动热丝TIG焊接工艺，焊后经705～730℃保温40 min的焊接退火热处理，该热处理一般采用缝隙炉设备进行，据了解也有采用单个加热器进行局部热处理。

2 宏观分析

2.1 断口形貌分析

对上、下断口进行仔细观察，发现断裂沿异种钢接头T92侧熔合线和热影响区发生，如图3所示。内壁在距离异种钢焊缝根部熔合线1～2 mm处开始颈缩变形，断口平整如图4所示。T92过渡短节靠近异种钢焊缝附近严重胀粗减薄，管子胀粗部位内外壁表面均可见龟裂纹，T92侧断口也较平整，如图5、图6所示。仔细观察，两侧断口表面均有舌苔状金属附着物，呈剪切断裂特征。

2.2 尺寸胀粗测量

现场检查发现，HR3C不锈钢过渡短节及焊缝均无明显胀粗变形，而T92过渡短节在靠近异种钢对接焊缝附近的局部管段却发生了严重的胀粗变形。用游标卡尺对上下断口的内外缘进行尺寸测量，如图7所示。HR3C不锈钢侧断口内缘直径为33.2 mm（同位置焊缝根部熔合线内缘直径为31.2 mm），断口最高处外缘直径为52.5 mm （同位置焊缝熔合线外缘直径为55.0 mm）；T92侧断口内缘直径为52.2 mm，T92侧断口外缘直径为 64.0 mm，T92侧断口的内缘直径几乎与HR3C不锈钢侧断口的外缘尺寸相当。说明异种钢接头T92侧热影响区内外表面在断裂发生前均发生了变形开裂和颈缩过程。

采用游标卡尺对T92过渡短节进行管径胀粗测量，如图8所示，测量结果如表1所示。可见，T92过渡短节在异种钢焊缝附近的局部管段严重胀粗，最大胀粗尺寸为67.7 mm，发生在距异种钢焊缝约15 mm处，胀粗率高达25.4%，距异种钢焊缝约50 mm处管子胀粗率降为7.2%，距异种钢焊缝约75 mm处管子胀粗率降为1.9%。

表1 失效管胀粗测量结果

3 试验分析

3.1 光谱材质复核

使用现场直读式光谱仪对发生胀粗的T92过渡短节进行光谱材质复核，材质符合设计要求。

3.2 硬度测试

采用里氏硬度计对发生胀粗的T92过渡短节进行了硬度测试，测试部位如图9所示，测试结果如表2所示。测试结果显示：发生胀粗的T92过渡短节局部硬度异常，低于DL/T 438—2008《火力发电厂金属技术监督规程》标准附录中关于T/P91，T/P92钢材料推荐硬度范围180～250 HB的下限，且呈现越靠近异种钢焊缝硬度越低的规律，而远离异种钢焊缝的一端硬度完全符合规程要求。

3.3 金相分析

对T92过渡短节的胀粗最严重部位（见图9，距焊缝约15 mm处）取样进行横向截面的金相组织观察，组织为铁素体+碳化物+贝氏体（残余奥氏体转变），而非正常的回火马氏体组织，分析为高温相变组织 （见图10），可能为焊后热处理温度过高所致，该部位的显微硬度检测为167HV0.2，对应部位表面硬度测试值为150 HB；而对该T92过渡短节未明显胀粗部位进行覆膜金相检验（见图9），检验结果显示金相组织正常（见图11），对应部位表面硬度测试值为200 HB和220 HB。

表2 胀粗失效的T92短节表面硬度测试结果 HB

4 原因分析

管子断裂沿异种钢接头T92侧熔合线和热影响区发生，内壁在距离异种钢焊缝根部熔合线1～2 mm处开始拉伸变形开裂，T92过渡短节靠近异种钢焊缝附近严重胀粗减薄，管子的胀粗部位内外壁表面均可见到大量龟裂纹，两侧断口均较平整，仔细观察断口表面均有舌苔状金属黏连颗粒，呈剪切断裂特征。

HR3C不锈钢过渡短节及焊缝均无明显胀粗变形，而T92过渡短节在靠近异种钢对接焊缝附近的局部管段却发生了严重的胀粗变形。HR3C不锈钢侧断口内缘直径33.2 mm，同位置焊缝根部熔合线内缘尺寸为31.2 mm，断口最高处外缘直径为52.5 mm，而同位置焊缝熔合线外缘尺寸为55.0 mm，说明异种钢接头T92侧热影响区内外表面在断裂发生前均发生了变形开裂和颈缩过程；T92侧断口内缘直径为52.2 mm，T92侧断口外缘直径为 64.0 mm，T92侧断口的内缘直径几乎与HR3C不锈钢侧断口的外缘尺寸相当，说明断裂发生时，断裂面发生了快速的剪切滑移过程，这与断口表面呈现的舌苔状金属黏连颗粒形貌特征吻合。

对发生胀粗的T92过渡短节进行光谱材质复核，材质成分符合相关标准要求，未错用材料；对发生胀粗的T92过渡短节进行了硬度测试，未发生胀粗的管段硬度正常，只有发生胀粗的管段局部硬度异常，低于DL/T 438—2008《火力发电厂金属技术监督规程》标准附录中关于T/P91，T/P92钢材料推荐硬度范围180～250 HB的下限，且呈现越靠近异种钢焊缝硬度越低的规律。T92过渡短节的胀粗最严重部位取样进行金相组织观察，组织为铁素体+碳化物+贝氏体（残余奥氏体转变），而非正常回火马氏体组织，明显为相变组织，而对该T92过渡短节未明显胀粗部位进行覆膜金相检验，检验结果显示金相组织正常。这也正好解释了该T92过渡短节发生局部胀粗的原因。

一段150 mm长的T92管段为何一端硬度和组织正常，另一端靠近异种钢焊缝侧却呈现金相组织异常和硬度逐步降低呢？由于胀粗管段处于顶棚上方约200 mm，且位于密封浇注料内，不可能直接受到炉膛高温烟气直接加热，蒸汽温度过热也不可能使管子局部硬度和组织发生变化，因此，基本可以排除运行过程中，管子硬度和组织发生变化的可能。发生这种情况的最可能原因，是制造或安装过程中该管段受到局部异常加热。有关文献研究认为，760℃，30 min的焊后热处理,有助于改善T92/HR3C异种钢焊接接头的综合力学性能[1]。从锅炉厂服务技术人员了解到，该异种钢焊接接头需进行焊后热处理，且热处理可能采用加热器对焊接接头进行局部加热。而T92焊缝、母材的硬度和抗拉强度均随回火温度升高而降低。焊缝附近未回火的T92母材的马氏体粗大，呈细针状；经740～780℃回火，马氏体组织会变细，但板条特征明显；超过780℃，马氏体板条特征消失，表现为屈氏体组织；随回火温度升高，母材碳化物会产生偏聚，铁素体含量增加；780℃以下回火母材力学性能满足ASME标准要求[2]。因此分析有可能在进行焊后热处理过程中，存在因控温热电偶损坏或热电偶安装位置不当等原因导致的热处理温度过高，超过了780℃，而使焊接接头附近的T92管段发生局部组织异常和硬度强度性能下降。

由于是焊后热处理导致的焊缝附近的T92管段局部组织异常和性能下降，在高温高压蒸汽内压力作用下，在紧邻焊缝的T92管段发生了局部胀粗，然而奥氏体不锈钢材质的焊缝强度未受到任何影响，因而对T92侧管子的环向鼓包胀粗起到拘束限制作用，从失效T92管端的最终形态看，局部管段已逐渐胀粗变形趋于球状，因此，在受到焊缝严重拘束作用下的T92侧焊缝热影响区的管子轴向应力已逐渐接近管子周向应力。T92侧热影响区在管子胀粗带动下产生整圈均匀变形和内外表面开裂，当表面开裂和变形减薄到一定程度，开始沿最薄弱部位（距离焊缝1～2 mm处）产生快速的剪切滑移，直至最终断裂。

据了解该厂2号炉也曾在168 h试运行期间发生一次高过出口异种钢过渡段T92短节的胀粗鼓包开裂爆管，推断导致T92短管发生失效的根本原因应相同。导致失效的表象不完全相同的原因可能有两个：一是有可能焊后热处理时加热器中心位置偏离了焊缝，导致硬度和强度最薄弱带离开了焊缝；另一个原因是试运行初期系统内杂物较多，节流孔极易发生异物堵塞导致个别管子汽温超温幅度较高，由于蠕变速度的不同导致发生不同的失效现象。

5 结束语

（1）该锅炉末级过热器出口的T92/HR3C异种钢焊接接头发生局部胀粗和环向剪切断裂失效的最主要原因是焊缝附近的T92管段组织异常和性能下降。导致这一情况发生的最可能原因是该焊接接头在进行焊后热处理时，工艺控制不当导致实际热处理温度过高。

（2）同类型锅炉为了避免发生类似情况，建议对高过出口所有T92/HR3C异种钢过渡段的T92侧管段进行宏观、胀粗及硬度检查，且应重点检查靠近异种钢焊缝的管段，发现管子胀粗鼓包开裂等异常应更换异种钢过渡段；硬度明显异常 （低于170 HB）应进行金相组织检查，必要时也应更换异种钢过渡段。

（3）建议今后对T91或T92材料与不锈钢对接的异种钢焊接接头验收的时候，应增加T91，T92侧热影响区和母材的硬度检验，必要时进行金相检验抽查。

（4）设计时应要求异种钢焊接接头布置在顶棚上方，且最好应高于顶棚密封浇注料150 mm，以便于异种钢焊接接头的定期检查。

[1]刘俊建，陈国宏，余新海，等.T92/HR3C异种钢焊接接头的组织结构和力学性能[J].材料热处理学报，2011，32（2）：54-60.

[2]齐向前，田旭海.焊后热处理对T92钢焊接接头组织及性能的影响[J].理化检验(物理分册)，2008，44（3）：115-118.