T91高溫過熱屏裂紋原因及控制措施分析

張紅偉

(太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

隨著國內(nèi)發(fā)電機(jī)組容量和參數(shù)的不斷提高，同時(shí)也為了提高燃煤電廠的熱效率，1Cr0.5Mo鋼及2.25Cr1Mo鋼已不適合CFB鍋爐爐膛高溫過熱屏、高溫再熱屏的使用溫度要求。在高溫長期運(yùn)行中，所用鋼材要求有足夠高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、穩(wěn)定性等，T91鋼以其良好的高溫性能越來越廣泛地應(yīng)用于電站鍋爐的高溫設(shè)備中，但是，由于T91鋼屬于低碳馬氏體型耐熱鋼，其焊接性較差，如果焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)，將產(chǎn)生各種類型的裂紋。某鍋爐廠在制造T91高溫過熱屏?xí)r，采用上槍單面焊接，焊完正面后焊接背面時(shí)，背面焊縫即出現(xiàn)大長度裂紋缺陷，后改為雙面焊，在進(jìn)行整體退火后背面焊縫出現(xiàn)大長度裂紋缺陷。

1 工藝試驗(yàn)

重制之前，從焊材、加熱溫度、焊接速度、材料表面潔凈度及根部焊透性等影響因素進(jìn)行系列試驗(yàn)，見表1。

表1 模擬產(chǎn)品焊接試驗(yàn)

2 理化檢驗(yàn)

重新復(fù)驗(yàn)焊絲的化學(xué)、力學(xué)性能，并將裂紋處取金相分析。

2.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

取氣保焊T91焊接用Φ1.2焊絲ER90S-B9，化驗(yàn)化學(xué)成分如第 頁表2所示，力學(xué)性能指標(biāo)如第54頁表3所示。

2.2 宏觀檢查

現(xiàn)場拍攝到的裂紋情況如第54頁圖1、圖2、圖3所示，取宏觀金相試樣，如第54頁圖4和第55頁圖5所示。

表2 ER90S-B9Φ1.2焊絲化學(xué)成分分析結(jié)果對比

表3 ER90S-B9焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 宏觀金相

HS-8試件焊態(tài)及熱處理態(tài)微觀金相裂紋情況進(jìn)行檢查結(jié)果如表4～表5。主要裂紋情況如第55頁圖6～圖10。

表4 宏觀金相檢查結(jié)果

表5 微觀金相檢查結(jié)果

圖1 通長裂紋圖

圖2 弧坑裂紋圖

圖3 接頭裂紋

圖4 宏觀金相試樣1

圖5 宏觀金相試樣2

圖6 熱應(yīng)力裂紋圖

圖7 根部裂紋圖

圖8 液化裂紋

圖9 再熱裂紋圖

圖10 結(jié)晶裂紋

3 裂紋分析

將出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行總結(jié)，并繪制出如第56頁圖11、圖12所示示意圖。

弧坑裂紋：焊接收弧時(shí)，電流突然降低很多甚至熄滅，造成熔池中心凝固太快，受周圍金屬收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，導(dǎo)致弧坑裂紋的形成。

聽著，孔志浩，你奔的不是自己的家喪，奔的是國喪，是軍喪，是一六三師弟兄為父母盡的最后一次孝?，F(xiàn)在我命令你，孔志浩，你不但要?dú)⑦M(jìn)衢州城，不但要扶棺出殯，還要替我們辦一個(gè)風(fēng)風(fēng)光光的大喪，孔志浩，你聽明白了沒有？”

接頭裂紋：接頭裂紋是由于焊接前打磨原機(jī)焊焊縫起弧及收弧端打磨不到位，或焊接缺欠導(dǎo)致，可清除修復(fù)。

結(jié)晶裂紋:焊縫結(jié)晶過程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足而不能及時(shí)填充，在應(yīng)力作用下發(fā)生沿晶開裂。裂紋都是沿著焊縫中的柱狀晶晶體交遇的中心處發(fā)生和發(fā)展的，在焊縫金屬凝結(jié)后期，低熔點(diǎn)共晶被排擠到柱狀晶交遇的中心部位，形成了一種所謂的“液態(tài)薄膜”，成為了焊縫中的薄弱地帶。硫、磷、硅等元素都能與鐵元素形成低熔點(diǎn)共晶。

高溫液化裂紋：在焊接時(shí)近縫區(qū)金屬或焊縫層間金屬，在高溫下使這些區(qū)域的奧氏體晶界上的低熔共晶被重新熔化，在拉伸應(yīng)力的作用下，沿奧氏體晶間開裂而形成的液化裂紋。另外，在不平衡的加熱和冷卻條件下，由于金屬間化合物分解和元素的擴(kuò)散，造成了局部地區(qū)共晶成分偏高而發(fā)生局部晶間液化，同樣也會產(chǎn)生液化裂紋。因此，液化裂紋也是由冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果。液化裂紋是一種沿奧氏體晶界開裂的微裂紋，它的尺寸很小，一般都在0.5 mm以下，個(gè)別可達(dá)到1 mm。因此，一般只有在金相顯微鏡上觀察才能發(fā)現(xiàn)。

熱應(yīng)力裂紋：焊接接頭金屬中，與氫的活動無關(guān)的，由于收縮應(yīng)變超過材料的變形能力所引起的裂紋。熱應(yīng)力裂紋的力學(xué)因素是由于加熱與冷卻不均所導(dǎo)致的不均勻熱應(yīng)變與剛性固定，收縮應(yīng)變在缺口處的應(yīng)力集中所引起的應(yīng)力狀態(tài)。通常，對于剛性拘束接頭，在未焊透的間隙處，本能的產(chǎn)生相當(dāng)高的應(yīng)力集中。若焊縫根部存在某些焊接缺陷(夾渣、焊瘤或氣孔等)，就會使應(yīng)力集中程度增加，甚至可能產(chǎn)生三維拉伸狀態(tài)，使裂紋萌生與擴(kuò)展。熱應(yīng)力裂紋的形態(tài)，一般都比較寬，尖端圓鈍，不尖細(xì)。裂紋邊緣平滑，呈直通發(fā)展，無微小裂紋短程串接的特征。

再熱裂紋:焊后再熱處理時(shí)，殘余應(yīng)力松弛過程中，粗晶區(qū)應(yīng)力集中部位的晶界滑動變形量超過了該部位的塑性變形能力，就會產(chǎn)生再熱裂紋。再熱裂紋都是發(fā)生在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位并呈晶間開裂，裂紋的走向是沿融合線母材側(cè)的奧氏體粗晶晶界擴(kuò)展，有時(shí)裂紋并不連續(xù)，而是斷續(xù)的，遇到細(xì)晶就停止擴(kuò)展。產(chǎn)生再熱裂紋存在一個(gè)敏感的溫度區(qū)間，這個(gè)區(qū)間與再熱溫度及再熱時(shí)間有關(guān)，對于奧氏體不銹鋼和一些高溫合金，這個(gè)溫度區(qū)間約在700 ℃～900 ℃。

根部裂紋：主要發(fā)生在含氫量較高，預(yù)熱溫度不足的情況下。這種裂紋主要起源于母材與焊縫交界處，在焊縫根部應(yīng)力集中的最大部位產(chǎn)生。

圖11 裂紋示意圖

圖12 弧坑裂紋

4 分析結(jié)果

1) 焊絲質(zhì)量應(yīng)選用低S、P焊絲，且保證優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是斷后伸長率。

3) 非焊透型結(jié)構(gòu)，在焊根部提高了裂紋出現(xiàn)的敏感性。

4) 焊縫根部裂紋經(jīng)一次熱處理后，寬度變寬并出現(xiàn)再熱裂紋，二次熱處理應(yīng)力釋放后擴(kuò)展不明顯。

5 控制措施

5.1 結(jié)晶裂紋與液化裂紋控制措施

1) 冶金因素

a) 控制焊縫中硫、磷、硅碳、氮等有害雜質(zhì)元素含量，它們不僅能形成低熔點(diǎn)共晶，而且還能促使偏析，大大增加結(jié)晶液化裂紋敏感性。

2) 工藝因素方面

a) 改善接頭形狀系數(shù)；

b) 適當(dāng)?shù)卦黾雍附泳€能量和提高預(yù)熱溫度。

5.2 熱應(yīng)力裂紋與根部裂紋控制措施

a) 預(yù)熱；

b) 適當(dāng)增加焊接線能量；

c) 焊后后熱消氫；

d) 降低焊接接頭拘束應(yīng)力，扁鋼開坡口；

e) 焊接前仔細(xì)烘干焊接材料，將焊件、焊絲上的鐵銹和油污清理干凈。

5.3 再熱裂紋的控制措施

a) 采用更高的預(yù)熱溫度(比防止冷裂紋的預(yù)熱溫度還要高)及后熱；

b) 降低殘余應(yīng)力和避免應(yīng)力集中，殘余應(yīng)力本應(yīng)在再熱處理過程中消除。但對殘余應(yīng)力較大的焊件，在進(jìn)行熱處理之前就有可能造成粗晶區(qū)微裂，而在熱處理過程中就會加速產(chǎn)生再熱裂紋。

5.4 防治弧坑裂紋的措施

a) 在收弧時(shí)采用收弧板，并逐漸斷??；

b) 采用填滿弧坑技術(shù)，在焊接收尾時(shí)，回填畫圈，填滿弧坑，熄弧0.5 s～1 s后再引弧點(diǎn)焊；

c) 若仍有裂紋，打磨清除干凈，然后采用氬弧焊補(bǔ)焊。

6 結(jié)語

通過對以上各種焊接裂紋及控制措施的分析及改進(jìn)后，T91高溫過熱屏裂紋問題得到有效的控制，得到了較理想的結(jié)果。