SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫熱裂紋原因分析

張兆林

摘要：某鍋爐制造公司生產(chǎn)的SA-213TP347HFG膜式水冷壁結(jié)構(gòu)高溫過熱器和高溫再熱器部件角焊縫出現(xiàn)大量熱裂紋，通過宏觀和微觀組織觀察對(duì)裂紋形態(tài)和斷口形貌的特征進(jìn)行描述，從扁鋼表面質(zhì)量、焊接材料選擇、焊接熱輸入和拘束應(yīng)力、能譜分析等方面分析熱裂紋形成的原因。研究結(jié)果表明，扁鋼表面清潔度差以及焊材ER309LSi的Ni含量高是導(dǎo)致SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產(chǎn)生大量熱裂紋的主要原因，為同類缺陷的處理提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SA-213TP347HFG;角焊縫熱裂紋;原因分析;清潔度;ER309LSi

中圖分類號(hào)：TG457.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0050-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.10

0? ? 前言

某350 MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器部件采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱水冷壁），隨著對(duì)機(jī)組效率和抗氧化性能要求的提高，選用的鋼管材質(zhì)逐漸從SA-213T91、SA-213TP304H、SA-213TP347H過渡到SA-213TP347HFG。細(xì)晶粒奧氏體TP347HFG是日本住友公司針對(duì)TP347H鋼管在熱循環(huán)作用下產(chǎn)生氧化皮并剝落的現(xiàn)象而研制的不銹鋼，TP347HFG室溫、高溫力學(xué)性能與TP347H基本相同，持久強(qiáng)度高約20%，且具有更好的抗蒸汽氧化能力[1-2]，主要應(yīng)用在超臨界機(jī)組鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器蛇形管管屏結(jié)構(gòu)上，在水冷壁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用較少。膜式水冷壁結(jié)構(gòu)是鍋爐的主要受熱部分，由鋼管、扁鋼以及起連接作用的角焊縫組成，采用大型機(jī)械焊設(shè)備進(jìn)行焊接，多把焊槍同時(shí)施焊形成管片組件，再經(jīng)過4頭機(jī)械焊多次合屏形成水冷壁管屏組件。

某鍋爐制造公司采用熔化極氣保焊工藝首次組焊TP347HFG水冷壁管屏，角焊縫發(fā)現(xiàn)大量熱裂紋，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。文中針對(duì)角焊縫出現(xiàn)大量熱裂紋的原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

膜式水冷壁管屏鋼管材質(zhì)為SA-213TP347HFG，規(guī)格為φ63.5 mm×5.0 mm，扁鋼材質(zhì)為12Cr18Ni9，規(guī)格為□6 mm×13 mm。根據(jù)角焊縫的焊接工藝評(píng)定，并借鑒實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，焊材選用直徑φ1.2 mm的ER309LSi實(shí)心焊絲。鋼管、扁鋼和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊接順序

鋼管和扁鋼備料，在起始端進(jìn)行點(diǎn)焊連接形成5管6扁鋼水冷壁管片組件，送進(jìn)20頭熔化極氣保焊大型機(jī)械焊設(shè)備施焊，保護(hù)氣體為φ（Ar）95%+φ（CO2）5%，氣體流量22 L/min，配氣站管道供氣，管片結(jié)構(gòu)如圖1所示。20把焊槍分4組布置，按先后施焊順序記為：上六槍→下六槍→上四槍→下四槍，上六槍施焊管片第1、3、5根鋼管與扁鋼上側(cè)角焊縫，下六槍施焊管片第1、3、5根鋼管與扁鋼下側(cè)角焊縫，上四槍施焊管片第2、4根鋼管與扁鋼上側(cè)角焊縫，下四槍施焊管片第2、4根鋼管與扁鋼下側(cè)角焊縫。具體焊接參數(shù)如表2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀觀察

管片整體長(zhǎng)度9 500 mm，目測(cè)可見裂紋形態(tài)，待管片冷卻至室溫進(jìn)行滲透檢測(cè)，可見多處線性顯示，如圖2所示。目視檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，裂紋存在于焊縫，遠(yuǎn)離焊接熱影響區(qū)和母材，具有兩種分布特征：一部分裂紋之間近似平行，與焊接熱源移動(dòng)方向成一定角度，具有規(guī)律性;另一部分裂紋（包含弧坑裂紋）位于角焊縫縱向中分面沿長(zhǎng)度方向開裂。由此可初步判定該裂紋屬于熱裂紋中的結(jié)晶裂紋，也稱為凝固裂紋。

2.2 顯微組織觀察

在低倍鏡下觀察角焊縫裂紋位置和走向，在高倍鏡下觀察金相組織，如圖3所示。

由圖3a可知，焊縫表面和焊縫內(nèi)部均存在裂紋，裂紋中心較寬，兩端有尖角，尖角曲折;裂紋兩側(cè)晶粒成一定角度，即裂紋位于不同位向晶粒生長(zhǎng)交匯處。由圖3b可知，裂紋在柱狀枝晶之間沿晶開裂，具有結(jié)晶裂紋的典型特征。由圖3c可知，焊縫金相組織為奧氏體+骨架狀鐵素體。

用鋸床去除鋼管多余部分，制取橫截面試樣，采用手工鋸從鋼管內(nèi)壁向鋼管與扁鋼貼合面鋸切，裂紋與貼合面相連，用虎鉗夾緊鋼管兩斷面，緩慢施加夾緊力，使角焊縫外表面裂紋開口張大，獲得裂紋斷面，試樣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4b可知，裂紋斷面呈淡黃色金屬光澤，是短時(shí)高溫氧化導(dǎo)致的，說明裂紋形成時(shí)處在較高溫度，符合焊接熱裂紋的特征。對(duì)裂紋斷面進(jìn)行電鏡掃描，電鏡圖片如圖5所示。

由圖5a、5b可知，斷面位于焊縫中心，斷口宏觀形貌為層狀斷裂，無明顯的塑性變形，斷口凹凸不平，呈臺(tái)階狀，與鑄件中夾雜物和偏析導(dǎo)致的裂紋斷口形貌相似;由圖5c、5d可知，斷裂方式為沿晶開裂，沿柱狀晶晶粒長(zhǎng)軸方向擴(kuò)展，晶粒表面存在大量的夾雜物;由圖5e、5f可知，夾雜物不均勻分布于晶粒之間，大小不一，形狀不規(guī)則，與奧氏體顏色差異較大。

3 裂紋原因分析

3.1 原材料表面狀態(tài)

水冷壁管屏扁鋼材質(zhì)為12Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，供貨狀態(tài)為固溶處理+酸洗。扁鋼表面應(yīng)為光亮的金屬光澤，但實(shí)際的供貨狀態(tài)見圖6a，扁鋼表面有一層黑灰色的Fe3O4氧化皮，并存在局部脫落，氧化皮脫落部位呈綠色部分是Cr2O3，呈紅色部分是水合氧化鐵。由此可知，12Cr18Ni9不銹鋼扁鋼表面存在嚴(yán)重氧化，這是因?yàn)楣倘芴幚磉^程中產(chǎn)生了氧化物。為了改善扁鋼表面狀態(tài)，進(jìn)行了酸洗，酸洗后扁鋼表面狀態(tài)見圖6b，經(jīng)酸洗鈍化后，氧化物沒有去除干凈，也未形成銀灰色致密的氧化物薄膜。扁鋼表面除存在氧化物外，還存在成分不明的粉末狀雜質(zhì)，表面清潔度不可控，對(duì)焊接質(zhì)量的影響也不可控，因此，扁鋼表面質(zhì)量差是影響焊接熱裂紋的主要因素。

3.2 焊接材料選擇

AWS ER309焊絲名義成分是24Cr-13Ni，常用于焊接相似成分的鍛件和鑄件，當(dāng)存在嚴(yán)重的腐蝕條件且要求采用合金元素較高的焊縫金屬時(shí)，常用于焊接304型及類似母材，以及異種鋼的焊接，AWS ER309LSi有更低的含碳量和略高的Si含量，其化學(xué)成分如表3所示，改善了在金屬極氣保焊中填充金屬的工藝性[3]。

結(jié)晶類型與焊縫成分的關(guān)系，可采用當(dāng)量比來判斷，奧氏體形成元素用Ni當(dāng)量來表示，鐵素體形成元素用Cr當(dāng)量來表示，其表達(dá)式分別是：

結(jié)晶類型與鉻、鎳當(dāng)量比有如下關(guān)系：Creq/Nieq≤1.48，A型和A-F型;Creq/Nieq≤1.95，F(xiàn)-A型;Creq/Nieq>1.95，F(xiàn)型。對(duì)于一些廣泛使用的不銹鋼焊材，根據(jù)其化學(xué)成分范圍，可利用上述公式來確定焊縫金屬的結(jié)晶類型，309焊縫屬于F-A型[4]。

利用上述公式和判據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果為：

Creq（ER309LSi焊縫）=20.89%

Creq（ER308LSi焊縫）=20.18%

Nieq（ER309LSi焊縫）=9.6%

Nieq（ER308LSi焊縫）=12.195%

Creq/Nieq（ER309LSi焊縫）=2.17

Creq/Nieq（ER308LSi焊縫）=1.65

由計(jì)算結(jié)果可知，Creq/Nieq（ER309LSi焊縫）>1.95，為F型結(jié)晶模式，應(yīng)得到完全的鐵素體組織，而實(shí)際焊縫金相組織為奧氏體+骨架狀鐵素體（見圖3c），與計(jì)算結(jié)果矛盾。對(duì)比焊縫與焊絲化學(xué)成分的變化可知，其中Ni含量和Mn含量明顯降低，原因是化學(xué)成分分析采用了電火花直讀法，測(cè)量位置在焊縫表面，未能覆蓋到內(nèi)部晶界，Ni和Mn元素在晶界偏析。

若不考慮稀釋的影響，以焊絲的化學(xué)成分估算結(jié)晶模式計(jì)算，Creq/Nieq（ER309LSi焊絲）=1.66，Creq/Nieq（ER308LSi焊絲）=1.84，焊縫的結(jié)晶類型均為F-A型，即從高溫冷卻到室溫相變過程為：L→L+F→L+F+A→A+F。在以F-A結(jié)晶類型凝固時(shí)，隨Creq/Nieq值增加，奧氏體數(shù)量減少，鐵素體數(shù)量增加，裂紋敏感性降低，因此選用ER308LSi焊絲，焊縫金相組織中鐵素體含量比ER309LSi多，抗裂性更好。經(jīng)過施焊驗(yàn)證，選用ER308LSi焊絲后，水冷壁管屏僅少量焊縫存在熱裂紋，數(shù)量減少約90%。因此，焊接材料是焊接熱裂紋產(chǎn)生的主要影響因素。

3.3 焊接熱輸入與拘束應(yīng)力分析

取表2中焊接參數(shù)范圍內(nèi)限值計(jì)算最大焊接熱輸入E=672 J/mm=0.672 kJ/cm。焊接熱輸入處于較低的范圍內(nèi)，相比半自動(dòng)氣保焊，機(jī)械焊的焊接速度更快，焊接熱輸入低約40%，不存在熱輸入過大的情況;在實(shí)時(shí)觀察中發(fā)現(xiàn)，位于上六槍對(duì)應(yīng)的焊縫在電弧移開后立即產(chǎn)生肉眼可見的裂紋，此時(shí)為單根管與兩側(cè)扁鋼相焊狀態(tài)，還未形成五根管組件，與半自動(dòng)氣保焊情況相同，處于拘束度很小的情況，說明拘束應(yīng)力不是裂紋產(chǎn)生的主要因素。

3.4 能譜分析

對(duì)斷口表面的不規(guī)則夾雜物進(jìn)行電鏡能譜分析，取點(diǎn)位置和能譜分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7a可知，該處Si含量明顯超出正常范圍且遠(yuǎn)高于ER309LSi焊縫中的Si含量，Cr和Fe含量低于正常范圍，且遠(yuǎn)低于ER309LSi焊縫中的Cr和Fe含量（見表3）;由圖7b可知，該處Si、Mn、Ni含量超出正常范圍且高于ER309LSi焊縫中的含量。Si元素是兩處取點(diǎn)位置共同存在的且超出合理范圍，說明此處裂紋與Si元素有著密切關(guān)聯(lián)。Si在焊接過程中形成復(fù)雜的硅酸鹽，在晶界間形成一層脆的硅酸鹽薄膜，在焊縫金屬凝固過程中或凝固后的高溫區(qū)，會(huì)導(dǎo)致高溫失塑裂紋的形成[5]。因此，Si元素的偏析是形成裂紋的直接原因。Ni元素容易與S或Si形成低熔點(diǎn)共晶物，同時(shí)Ni還促進(jìn)偏析，增大熱裂紋傾向，ER308LSi焊絲中的Ni元素含量比ER309LSi焊絲高約4%，也印證了選擇ER308LSi焊絲施焊熱裂紋明顯減少的實(shí)際情況。

4 結(jié)論

（1）扁鋼表面不清潔是一個(gè)不可控變量，是SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產(chǎn)生熱裂紋的一個(gè)主要因素，對(duì)于表面存在氧化皮等雜質(zhì)的扁鋼，除需進(jìn)行酸洗鈍化等表面處理工藝外，還應(yīng)對(duì)扁鋼表面進(jìn)行打磨，使其呈現(xiàn)金屬光澤。

（2）對(duì)于ER309LSi焊絲，隨著Creq/Nieq增加，奧氏體數(shù)量減少，鐵素體數(shù)量增加，裂紋敏感性降低，而采用ER308LSi焊絲，焊縫金相組織中鐵素體含量比ER309LSi多，有助于降低SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫的熱裂紋敏感性，抗裂性更好。

（3）相比半自動(dòng)氣保焊，機(jī)械焊的焊接速度更快，焊接熱輸入更低，當(dāng)前選用的焊接參數(shù)不是SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產(chǎn)生熱裂紋的主要因素;在拘束度還很小時(shí)，熱裂紋就已經(jīng)產(chǎn)生，因此拘束應(yīng)力不是導(dǎo)致熱裂紋的主要因素。

（4）通過電鏡掃描和能譜分析可知，Si元素偏析是形成熱裂紋的直接原因。ER309LSi焊絲中的Ni含量比ER308LSi焊絲高約4%，而Ni元素容易與S或Si形成低熔點(diǎn)共晶物，同時(shí)Ni還促進(jìn)偏析，增大熱裂紋傾向，綜合分析結(jié)果，選用Ni含量高的ER309LSi焊絲是導(dǎo)致SA-213TP347HFG膜式水冷壁角焊縫產(chǎn)生大量熱裂紋的根本原因。

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