锅炉压力容器焊接结构图（分享高温锅炉管T22）

锅炉压力容器焊接结构图（分享高温锅炉管T22）​在焊接接头两侧母材及焊缝处取粉末样 按照GB/T20123—2006《钢铁 总碳硫含量的测定高频 感应 炉 燃 烧 后 红 外 吸 收 法 (常 规 方 法)》、GB/T 223.62—1988《钢铁及合金化学分析方法 乙酸丁酯 萃取光度法测定磷量》、GB/T20125—2006 《低合 金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发 射光谱法》等对 T22钢、TP347H 钢和 E309L钢进 行化学成分分析 结果如表1~3所示。由表1~3 可知:焊接接头两侧母材的化学成分符合 ASME SA-213—2019《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素 体和奥氏体合金钢管子》对T22钢和 TP347H 钢的 要求;焊缝的化学成分符合GB/T983—2012《不锈 钢焊条》对E309L钢的要求。某电厂锅炉发电功率为660MW 过热器的进口 流量为2100.1t/h 出口压力为18.2MPa 出口温

摘 要:采用化学成分分析、力学性能测试、金相检验和硬度测试等方法 分析了 T22/TP347H 异种钢焊接接头早期失效的原因。结果表明:在 T22钢侧熔合区发现了氧化缺口;T22钢与焊缝 的边界附近存在元素浓度梯度 产生了马氏体脆化层。建议选用合金元素含量更高的焊材或者镍 基焊材 避免早期失效的发生。

关键词:异种钢焊接接头;早期失效;氧化缺口;马氏体脆化层

中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)01-0061-04

近年来 随着火力发电机组的发电功率以及运 行温度的提高 亚临界和超(超)临界电站锅炉过热 器、再热器等对耐热钢材料等级的要求也越来越高。 目前许多大型电厂的过热器、再热器等越来越多地 采用TP347奥氏体不锈钢替代低合金钢 以进一步 提高机组的运行温度及管子工作温度[1]。TP347H 钢的组织结构、高温性能、化学成分与低合金钢有差 异 TP347H 钢与低合金钢的焊接接头性能比较复 杂 易发生早期失效[2]。

某电厂锅炉发电功率为660MW 过热器的进口 流量为2100.1t/h 出口压力为18.2MPa 出口温度 为540℃;再热器的出口压力为4.16MPa 出口温度 为542.7℃ 锅炉累计运行约60000h。异种钢焊接 接头 两 侧 的 材 料 分 别 为 TP347H 钢 和 T22 钢 TP347H钢侧母材规格为50.8mm×5.49mm(外径 ×壁厚) T22钢侧母材规格为50.8mm×7.62mm (外径×壁厚) 焊条材料为E309L钢。异种钢焊接接 头两侧材料的化学成分、力学性能、热膨胀系数、导热 系数等方面存在差异 在锅炉运行过程中易发生早期 失效。笔者对异种钢焊接接头的末级过热器进行一 系列理化检验 分析该焊接接头早期失效的原因 并 提出了改进建议 以避免焊接接头发生早期失效。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在焊接接头两侧母材及焊缝处取粉末样 按照GB/T20123—2006《钢铁 总碳硫含量的测定高频 感应 炉 燃 烧 后 红 外 吸 收 法 (常 规 方 法)》、GB/T 223.62—1988《钢铁及合金化学分析方法 乙酸丁酯 萃取光度法测定磷量》、GB/T20125—2006 《低合 金钢 多元素含量的测定 电感耦合等离子体原子发 射光谱法》等对 T22钢、TP347H 钢和 E309L钢进 行化学成分分析 结果如表1~3所示。由表1~3 可知:焊接接头两侧母材的化学成分符合 ASME SA-213—2019《锅炉、过热器和换热器用无缝铁素 体和奥氏体合金钢管子》对T22钢和 TP347H 钢的 要求;焊缝的化学成分符合GB/T983—2012《不锈 钢焊条》对E309L钢的要求。

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1.2 力学性能测试

从焊接接头两侧母材及异种钢焊接接头的迎烟 侧、背烟侧取板状试样 按照 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》进 行拉伸试验。T22钢侧母材的拉伸试样编号为1T、 2T TP347H 钢侧母材的拉伸试样编号为1S、2S 焊 接接头 的 拉 伸 试 样 编 号 为 1# 2# 测 试 结 果 如 表4~6所示 其中焊接接头的拉伸试样均断在 T22 钢侧。由表4~6可知:T22钢、TP347H 钢和焊接 接头背烟侧的抗拉强度、断后伸长率均略高于迎烟 侧;1T、2T、1S、2S试样的力学性能均符合 ASME SA-213—2019的要求;1# 2# 试样的抗拉强度高于 1T、2T试样 低于1S、2S试样 且符合DL/T869— 2012《火力发电厂焊接技术规程》的要求 表明 T22 钢侧母材为焊接接头的薄弱环节[3-4]。 ​

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1.3 金相检验

在焊接接头部位沿管轴向取包含焊缝、熔合区、 热影响区和两侧母材的试样 按照 GB/T13298— 2015《金属显微组织检验方法》的要求制样 在 ZEISS型光学显微镜下进行观察。母材及焊缝的显 微组织形貌如图1所示 由图1可知:T22钢侧母材 的组织为铁素体 贝氏体 晶粒度等级为6级 球化 等级为2~3级;TP347H 钢侧母材的组织为孪晶奥 氏体 少量碳化物 孪晶特征明显 晶粒度等级为 5~7级 ;焊缝的组织为奥氏体 δ铁素体。母材及​焊缝的组织均未见异常。

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焊接接头两侧热影响区的显微组织形貌如图2 所示 可见从焊缝到母材方向 T22钢侧热影响区依 次为粗晶区、细晶区和部分相变区 其中粗晶区和细 晶区组织均为回火马氏体 回火索氏体 回火贝氏 体 部分相变区组织为铁素体 回火贝氏体;TP347H 钢侧热影响区的粗晶区、细晶区与母材组织无明显差 异 均为奥氏体 碳化物 晶界、孪晶界清晰。​

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焊接接头两侧熔合区的显微组织形貌如图3所 示。由图3可知:T347H钢侧熔合区有显著的增碳层 增碳层中碳元素以铬的碳化物形态析出 并导致硬化 熔合区附近的焊缝组织有柱状晶特征;T22钢侧熔合 区有脱碳现象 导致软化 而T22钢侧熔合区附近的焊 缝组织有增碳现象 产生硬化区 并可见沿晶裂纹。

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1.4 硬度测试

取焊接接头的纵向试样 经镶嵌、磨制、抛光、腐 蚀后进行硬度测试 测试位置为焊接接头中间(约 1/2壁厚)处。焊接接头焊缝、熔合区、热影响区及 附近母材的硬度变化曲线如图4所示。由图4可 知:从焊缝到熔合区 T22钢、TP347H 钢侧的硬度 逐渐升高;从热影响区至母材 T22钢、TP347H 钢 侧的硬度逐渐下降 T22钢、TP347H 钢侧熔合区的 硬度基本一致。 ​

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2 综合分析

2.1 异种钢焊接接头的凝固过渡层

焊接时 熔化的液态金属冷却 使熔合线附近半 熔化段的母材温度降低 成为焊缝金属凝固时的结​晶表面。在该结晶表面 TP347钢侧的熔合区有显 著的增碳层 T22钢侧熔合区有脱碳现象 T22钢与 焊缝的边界附近(100μm 宽度范围内)元素的浓度 梯度很明显 特别是 Cr、Ni元素含量的变化 因该 宽度范围内的组织为马氏体 故该宽度范围称为马 氏体脆化层。马氏体脆化层硬度很高(430HV) 而 TP347钢侧母材的硬度为170HV T22钢侧母材 的硬度为140HV 焊缝的硬度为210HV 所以易 产生裂纹 裂纹在马氏体脆化层萌生 在焊缝沿着奥 氏体晶界扩展。在Cr元素含量一定的条件下 提高 焊缝的 Ni元素含量 可以减小马氏体脆化层的 宽度。

2.2 异种钢焊接接头氧化缺口

氧化缺口的形成是由于碳化物的析出使得熔合 线附近Cr元素含量减少 降低了接头的抗氧化性 高温运行过程中 该处发生优先氧化;同时 晶界碳 化物的析出破坏了显微组织的连续性 环境中的氧 元素向焊接接头内部扩散加快;氧化后形成的氧化 物体积增大 在界面和晶界形成“楔子效应” 使界面​应力增大 蠕变速率加快。氧化缺口使接头实际承 载截面积减小 并在缺口根部形成应力集中。熔合 线两侧强度不同 使得接头不能在应力作用下产生 均匀的应变 变形首先集中在低强度 T22钢侧近熔 合线区域 进一步加大了因几何形状不连续而产生 的应力集中 最终导致裂纹沿熔合线扩展。

3 结论及建议

异种钢焊接接头中 T22低合金钢、TP347H 不 锈钢的化学成分、力学性能符合相应的标准要求 显 微组织未见异常。焊缝的化学成分和力学性能符合 标准要求。T22钢侧熔合区是异种钢焊接接头的薄 弱环节 焊缝熔合区存在氧化缺口;在 T22钢与焊 缝的边界附近存在元素浓度梯度 产生了马氏体脆 化层 易出现裂纹。 ​

焊接接头两侧母材选用强度相匹配的焊材 提 高焊缝的Ni元素含量 选用合金元素含量更高的焊 材或者Ni基焊材 可以避免异种钢焊接接头发生早 期失效。

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参考文献:

[1] 张哲峰 王文先 洪卫.TP347H钢焊接接头微观组织 及断口形貌分析[J].焊接 2006(11):40-43.

[2] 任爱 赵灿 范长信 等.电站高温锅炉管奥氏体异种 钢焊接接头失效方式研究[J].热力发电 2003 32 (8):27-31.

[3] 吴奭登 高岩 盘荣旋.再热器管异种钢焊缝断裂原因 分析[J].热力发电 2011 40(2):91-93.

[4] 胡加瑞 刘 旺 谢 亿 等. 末 级 过 热 器 12Cr2MoWVTiB/TP347H异种钢焊口失效分析[J]. 矿冶工程 2015 35(1):123-125.​

<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 1期 (pp:61-64)>