TP347H/G102末级过热器异种钢焊缝失效分析及处理

刘德勇

华能临沂发电有限公司 山东临沂 276016

1 序言

某电厂1#锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司设计制造的1025t/h亚临界一次中间再热自然循环锅炉，型号为HG-1025/18.2-540/540-WM10，采用单炉膛Π型布置，采用直流燃烧器正四角切圆燃烧方式，给水温度为279.4℃，汽包工作压力为19.61MPa。

末级过热器位于后屏过热器和后水冷壁吊挂管之间，分成前后二级。前级27片以457.2mm的横向节距沿整个炉宽方向布置。后级54片以228.6mm的横向节距沿整个炉宽方向布置。2009年7月和12月，1#锅炉末级过热器后级G102/TP347H基建安装异种钢焊缝（TP347H管尺寸为ϕ51mm×7.5mm，G102管尺寸为ϕ51mm×8mm）沿熔合线发生了两次泄漏，第一次泄漏时机组运行了67 772h。

2 裂纹分析

图1 爆管现场

（1）宏观检查 1#锅炉2009年7月爆管现场如图1所示，末过后级炉右23屏前数第1根异种钢焊缝熔合线处有穿透性裂纹，吹爆和吹损末过前级与后级管子共30根。1#锅炉2009年12月爆管现场如图2所示，末过后级炉右2屏前数第3根异种钢焊缝G102钢侧熔合线处有穿透性裂纹，吹损末过后级相邻2根管子。

对裂纹管进行取样，并将其剖开，其形貌如图3所示。

图2 G102钢侧爆管

图3 开裂处断口宏观形貌

（2）化学成分分析 取裂纹管焊缝两边母材进行化学成分分析。G102钢及TP347H不锈钢的化学成分分别见表1、表2。可知G102钢及TP347H不锈钢的化学成分分别符合GB/T 5310—1995《高压用无缝钢管》和ASME A213—1998的要求[1]。

（3）金相分析 对失效管子接头进行金相微观组织分析，显微组织照片如图4～图7所示。从图中可知，失效管G102钢母材为正常的回火贝氏体组织，未发现异常；裂纹位于G102钢与焊缝的熔合线位置上；TP347H不锈钢侧热影响区组织过热段晶粒较粗大，TP347H不锈钢熔合线组织晶粒被拉长并与焊缝存在明显的熔合线；TP347H不锈钢母材显微组织为典型的奥氏体[2]。从金相组织来看，TP347H/G102异种钢焊接接头中G102钢侧焊缝熔合线裂纹是泄漏的直接原因。

表1 G102钢母材的化学成分（质量分数） （%）

表2 TP347H不锈钢母材的化学成分（质量分数） （%）

图4 G102钢侧母材金相组织（500×）

图5 G102钢侧熔合线位置 金相组织（200×）

图6 TP347H不锈钢侧母材金相组织（200×）

图7 TP347H不锈钢侧熔合线位置金相组织（200×）

（4）拉伸试验 在1#锅炉末过未失效异种钢焊缝位置取样，对取样管进行拉伸试验，抗拉强度为636MPa，断裂位置位于TP347H不锈钢侧，试验结果合格。

3 综合分析

开裂位置位于异种钢G102侧，完全沿熔合线发生开裂。同时在未失效取样管上取样进行金相试验，未发现金相组织异常。该类失效是由于高温下使用的奥氏体不锈钢与贝氏体耐热钢的焊接接头中存在碳迁移倾向。虽然采用镍基焊材后，降低了碳自耐热钢一侧向焊缝中的转移，但通过循环加热过程使碳迁移速度大大加快[3，4]。已运行接头贝氏体耐热钢侧靠近熔合线处会形成低硬度的脱碳区，相应焊缝中出现增碳硬化区，经过长期运行后，贝氏体耐热钢侧熔合线冲击性能会较低。在焊缝熔合线附近区域应力水平较高，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作用而产生低周疲劳并导致失效。该类焊接接头失效发生的时间主要与原始焊缝的焊接工艺控制、焊接接头质量、运行中的温度和应力水平等有关。

4 结论与建议

1）此次末级过热器泄漏是典型的奥氏体不锈钢钢与贝氏体（珠光体）耐热钢焊缝在贝氏体耐热钢侧熔合线处发生的早期失效。

2）采用射线检测和超声波检测相结合的方法对1＃、2＃锅炉同类型异种钢焊缝进行全面检测，检测过程中应采取相应技术措施和工艺，保证对裂纹的检出率。

在处理过程中，准备好已焊接的异种钢焊缝短管，保证现场更换中避免异种钢的焊接，以保证焊接质量。如情况允许，为从根本上防止再次发生类似问题，可通过技术改造将末级过热器所有G102/TP347H异种钢焊缝进行更换。