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鐵素體異種鋼焊接接頭早期失效原因分析及防治措施

文檔作者：杜新豐張國山文檔來源：甘肅電投張掖發(fā)電有限責任公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月19日
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锨庶
奧氏體／鐵素體異種鋼焊接接頭
早期失效原因分析及防治措施
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文／甘肅電投張掖發(fā)電有限責任公司 杜新豐 張國山
摘要：本文通過國外異種鋼焊接接頭早期失效l青況統(tǒng)計，分析了奧氏體，鐵素體耐熱鋼(A／F)焊接接頭
早期失效的原因，介紹了： (1)采用新型鎳基焊接材料； (2)采用較大的坡口角度和增大焊縫寬度；
(3)選擇較高的回火溫度-5~-3；f~有效提高異種鋼焊接接頭使用壽命的方法。
關鍵詞：奧氏體耐熱鋼(A)；鐵素體耐熱鋼(F)；異種鋼焊接接頭；早期失效
1 概述
隨著火電機組用耐熱鋼的發(fā)展，火電鍋爐
經(jīng)歷了從超高壓(13～15MPa t~<540cC)、亞臨界
(16～19MPa t≤540℃ )、超臨界(24～26MPa t
~<566℃ )到超超臨界(24～31MPat~>580℃)的
發(fā)展歷程。為了提高機組效率，火電機組普遍
采用了新型細晶強韌化鐵素體耐熱鋼和新型奧
氏體耐熱鋼，這些新型耐熱鋼的廣泛使用，不可
避免的出現(xiàn)了奧氏體耐熱鋼／鐵素體耐熱鋼(以
下用A／F表示)異種鋼焊接接頭，這些異種鋼焊
接接頭具有早期失效傾向，這種早期失效現(xiàn)象，
常迫使機組非計劃停運，甚至造成重大事故。
2 國~bA／F異種鋼焊接接頭早期失效
情況統(tǒng)計
2．1 加拿大0H公司從31000@~種鋼焊接接頭運
行實績得出經(jīng)驗，認為這種接頭大概運行50000
小時，350次啟停后，就將有480+ (占1．55％)
的接頭發(fā)生失效。
2．2 英國CEGB統(tǒng)計了10萬多個鐵素體／奧氏體
的異種鋼接頭，其中103554個接頭是鎳基填充
金屬的，9474個接頭用的是奧氏體填充金屬的，
統(tǒng)計表明，用奧氏體填充金屬的焊接接頭早期
失效的概率比鎳基填充金屬的高，而且開始發(fā)
生失效的時間早。前者在運行1萬小時，其失效
的概率已經(jīng)達到≥1％。而鎳基填充金屬的接頭
在運行1萬小時后失效的概率很小，運行l(wèi)oTY小
時后才到達≥1％的水平。統(tǒng)計結果見圖1。
2．3 美國TvA公司的30臺鍋爐，在1970～1983
年10多年中發(fā)生了250次因異種鋼焊接接頭過早
失效而被迫非計劃停機的事件。表1是美國統(tǒng)計
的異種鋼焊接接頭早期失效情況，從表1可以看
到早期失效的隨機特點。
3 奧氏體，鐵素體(A／F)異種鋼焊
接接頭早期失效原因分析
作者簡介：杜新豐(1967一)，男，副總經(jīng)理，工程師，目前從事企業(yè)技術管理工作。
現(xiàn)代焊接2015年第4期總第148期J一57
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象
服役時間(h)
圖1 CEGB的統(tǒng)計
焊接過程中，由于兩種不同成分、不同晶
體結構的金屬互相摻合，在其熔合線附近出現(xiàn)
了化學成分、金相組織、機械性能和物理性能
的不均勻性。由于這些不均勻性的存在，給焊
接接頭的安全使用帶來了很大不利，導致焊接
接頭早期失效。經(jīng)過國內(nèi)外學者多年的觀察研
究，A／F異種鋼焊接接頭早期失效和焊接缺陷
無關，失效原因主要有以下幾點：
3．1 碳遷移：異種鋼焊接接頭在服役過程中，
由于熔合線兩側存在懸殊的成分差別，促使C
元素在焊后熱處理或隨后的加熱過程中不斷地
從低合金側向高合金側遷移，使高合金側增碳，
形成增碳層，低合金側脫碳，出現(xiàn)脫碳層。焊
縫熔合線附近的碳遷移帶，造成該區(qū)蠕變抗力、
持久強度和塑性的下降，直接導致焊縫熔合線
奧氏體 開始出現(xiàn)失效的時間 29o0O～1250O0}
填充金屬 平均開始出現(xiàn)失效的時間 74000h
開始出現(xiàn)失效的啟動次數(shù) 30～290次
鎳基合金 開始出現(xiàn)失效的時間 40000～12000O
填充金屬 平均開始出現(xiàn)失效的時間 l0O0o0h
化學元素I C l Mn l Si cr l Fe l Nb+Ta Ni I Cu S／P Ti
ERNiCr3 l≤0．1012．5～3．5l≤o．50 18～22l≤3．012．0～3．0 ≥67．0I≤0．50 ≤0．02 ≤0．7：
J一58 現(xiàn)代焊接2015年第4期總第148期
強度降低，并最終導致焊接接頭早期失效。
3-2 線膨脹系數(shù)不同：成分和組織不同的母材，
其線膨脹系數(shù)不同，焊在一起往往使焊接應力
和變形比同種鋼焊接時大，在部件承受熱循環(huán)
影響時將會在熔合面處產(chǎn)生較高的熱應力，這
個熱應力是熱膨脹系數(shù)的差異△a和溫度變化范
圍△T的函數(shù)，這種高溫應力也是造成界面破
壞的主要原因。
3．3 過渡層的形成：靠近熔合線的焊縫金屬會
出現(xiàn)過渡層，稱其為凝固過渡層。這個凝固過
渡層的成分是變化的，靠近母材部分的成分接
近母材，越靠近焊縫其成分也越接近焊縫金屬。
經(jīng)過國內(nèi)外專家研究，這個凝固過渡層是焊接
異種鋼時會遇到的性能難以控制的區(qū)域，它的
存在也影響接頭的整體．陛能。
4 防治措施
4．1 選擇鎳基焊接材料：對異種鋼早期失效的
現(xiàn)象，國內(nèi)外學者已經(jīng)研究了幾十年，根據(jù)表
1和圖1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用鎳基合金材料作為奧氏
體／鐵素體異種鋼焊接接頭的填充金屬，可以延
遲出現(xiàn)早期失效的時間，減少了因膨脹差引起
的熱應力。根據(jù)《火力發(fā)電廠異種鋼焊接技術
規(guī)程》的要求和國內(nèi)外提供的大量實踐案例，
選用ERNiCr3(線膨脹系數(shù)為l4．5×10 qC )焊
接材料，其化學成分見表2。焊縫金屬的線膨脹
系數(shù)與鐵素體鋼母材相近，使熱應力集中在塑
性變形能力強的奧氏體鋼母材上，而且焊接接
頭具有一定的高溫強度和塑性，在一定程度上
能控制碳的遷移，是鐵素體耐熱鋼和奧氏體耐
熱鋼比較理想的填充材料。
4．2 采用較大的坡口角度，增大焊縫寬度：根
據(jù)外國專家Ryder~我國章應霖教授的實驗結果，
采用較大的坡口角度，使焊縫寬度最大值(rt)
盡量到達1時(r為管子的平均管徑，t為管子的
壁厚)，A／F異種鋼焊接接頭壽命會增大50％左
右。坡口如圖2。
4．3 選擇較高的回火溫度：F／A異種耐熱鋼焊
瓣 鼴 妊酶
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圖2 鎳基填充金屬的優(yōu)化坡口
接接頭中的Cr、Mo鐵素體耐熱鋼，它們正常的
工作狀態(tài)是調(diào)質狀態(tài)。這類鋼經(jīng)過焊接的快速
高溫加熱，原來彌散分布于基體中的碳化物被
焊接的高溫加熱所凝固，并隨后形成馬氏體，
如果接頭在焊后經(jīng)過了高溫回火熱處理，近縫
區(qū)馬氏體得以充分的回火，析出高溫回火狀態(tài)
下的碳化物，接頭就以這種更加穩(wěn)定的組織開
始運行。經(jīng)過國內(nèi)外專家研究，提高F／A異種
耐熱鋼焊接接頭高溫回火溫度，在開始運行前
經(jīng)過70O℃以上的高溫回火，令碳化物盡早析出，
并令其顆粒變細，在后期運行中其I型碳化物
可能會較晚出現(xiàn)，從而其使用壽命會延長。
5 結束語
我國早期安裝的火電鍋爐，其MF異種鋼焊
接接頭普遍采用奧氏體材料焊接。由于碳的遷
移、線膨脹系數(shù)不同、過渡層的形成，焊接接
頭容易發(fā)生早期失效事故。本文提醒廣大火力
發(fā)電廠相關技術人員，對使用超過5萬小時的
F／A異種鋼焊接接頭要進行剩余壽命評估，采用
新型焊接材料、優(yōu)化焊接工藝等方法來提高MF
異種耐熱鋼焊接質量，保障電力設備的安全、
經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。
參考文獻
[1】楊福，章應霖，任永寧，李為民．新型耐熱鋼焊接．中國電力出版社．
[2]黃瑾，崔雄華，鄭坊平．異種鋼焊接接頭組織老化及損傷狀態(tài)評估
方法介紹．熱力發(fā)電，2．010．
征稿
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國際標準刊號155N 1991—6205
美國焊接學會(AWS)會員單位
《中國知識資源總庫》期刊(Z)TO049
國內(nèi)2O余家省、市焊接學會協(xié)辦
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