1000 MW超超临界发电机组过热器管T91/HR3C钢焊接接头开裂原因分析

某1000 MW超超临界发电机组运行了约7万小时后其过热器管T91/HR3C钢焊接接头开裂。对开裂的过热器管进行了宏观分析、硬度检验、金相检验和力学性能试验。结果表明:过热器管异种钢焊接时焊缝金属溢流至T91钢侧母材形成扇形异常区,且未焊后热处理,导致接头T91钢侧熔合线部位组织和性能极不均匀,长时间高温运行过程中产生氧化缺口。在内应力、交变应力和拘束应力等的共同作用下,氧化缺口根部产生裂纹,裂纹沿熔合线扩展导致接头开裂。

T91/TP347H异种钢焊接接头高温拉伸性能研究

超临界锅炉各部位的蒸汽温度存在差异,对其耐腐蚀、抗氧化、耐高温蠕变等的要求也不尽相同。因而,在超临界机组中,以HR3C、Super304H、TP347H,T91,T92为代表的马氏体和镍基合金。根据统计,超临界锅炉的四管(过热管、再热器管、水冷壁管、节煤器管)的故障占全部事故总数的三分之二,其中炉管接头的早期故障是最普遍的。由于工艺、冶金等方面的原因,如气孔、夹渣、未熔合、未焊透、焊裂纹等,导致异种钢材的焊缝寿命普遍低于设计值,仅为相同钢材的五分之一到三分之一。另外,由于连接端部材料的特性参数(例如热膨胀系数、导热率)的不同,也会使管道发生事故,从而造成重大的经济损失。因此,对异种钢接头的性能、失效机理及寿命的预测是十分必要的。

12Cr1MoVG/T91异种钢接头裂纹形成原因分析

低温再热器12Cr1MoVG/T91异种钢焊缝多次在12Cr1MoVG钢侧熔合线产生裂纹,并引发2次泄漏。为了分析裂纹产生原因,对其进行失效分析,采用宏观检查、化学成分分析、力学性能测试、金相检验方法进行试验分析。试验结果表明,裂纹具有再热裂纹特征,与公式计算得出试样12Cr1MoVG母材再热裂纹敏感性较高的结果一致。综合分析认为,该异种钢焊缝失效是由于焊接接头在高温下长期运行引起的再热裂纹,管子变形和焊缝余高产生的应力集中会促使裂纹的进一步发展。

服役期间T91/TP347H异种钢接头TP347H钢侧热影响区沿晶开裂分析

某电厂锅炉屏式过热器在运行8万h后,其T91/TP347H异种钢接头出现沿晶裂纹,裂纹位于TP347H奥氏体钢侧热影响区。通过显微组织观察、硬度测试和拉伸试验分析了沿晶开裂的特征、形成原因及其对力学性能的影响。结果表明:沿晶裂纹出现在TP347H钢侧熔合线处,为晶间腐蚀裂纹,裂纹深3~4个晶粒尺度,内部有氧化物填充;存在沿晶裂纹的屏式过热器管接头的硬度和抗拉强度符合标准要求,但塑性较差;粗大的晶粒和焊后较快的冷速使得屏式过热器管接头TP347H钢侧热影响区在高温服役过程中易发生晶界贫铬,引发晶间腐蚀,TP347H钢侧熔合线附近较高的硬度梯度导致应力易在此处集中,从而加速晶间腐蚀裂纹的产生。

T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变性能和微观组织及硬度

为探究服役对T91/TP347H异种钢焊接接头力学性能的影响,在620℃不同应力水平下,对T91/TP347H异种钢焊接接头进行了高温蠕变试验,分析其蠕变行为,并采用扫描电镜、光学显微镜和显微硬度计对T91/TP347H异种钢焊接接头服役前后的断口形貌、显微组织和显微硬度进行了研究。结果表明,高应力水平下,焊接接头失效更快,且断口更加粗糙并带有大的韧窝;相较于原始态,服役1×105h后的焊接接头T91侧出现沉淀物粗化,晶界加宽,容易产生应力集中现象,使得材料产生沿晶界脆性断裂倾向;服役过后,T91侧出现软化现象,而TP347H侧和焊缝有强化现象,焊缝硬度显著增加,且焊接接头的T91侧硬度平均值均大于TP347H侧。文中基于宏观力学试验、微观组织观测和显微硬度测试,分析了服役前后T91/TP347H异种钢焊接接头的变化。

T91/TP347H异种钢焊接接头高温拉伸性能研究

在580℃不同加载速率下开展了T91/TP347H异种钢焊接接头及母材短时高温拉伸试验,研究了焊接接头及两端母材的高温拉伸性能,提出了改进双线性模型,并通过有限元方法模拟高温拉伸过程,分析拉伸过程中的危险点位置、位移、应力及应力三轴度的变化规律。结果表明:加载速率为1.0×10^(-5)~2.5×10^(-5)s^(-1)时,其对T91钢、TP347H钢与T91/TP347H异种钢焊接接头拉伸力学行为的影响较小;T91/TP347H异种钢焊接接头的薄弱位置在T91侧焊缝处,且位于材料外表面,T91侧几乎没有发生径向变形,而TP347H侧出现径向变形,导致这一侧横截面积减少。

主蒸汽取样管焊接接头开裂分析

采用宏观形貌分析、化学成分分析、显微组织观察、硬度测试等手段,结合模拟热处理试验,对T91钢取样管接头断裂的原因及Ⅳ型开裂的机理进行了分析。结果表明:开裂类型为Ⅳ型开裂,开裂位于靠近临界热影响区的细晶区,该区域马氏体退化为铁素体等轴晶、碳化物粗化、显微硬度急剧下降,导致其蠕变性能劣化,并发生晶界孔洞聚集型蠕变断裂;引起开裂的主要外在原因为焊后热处理过回火、运行温度偏高以及接头受到较大的外部弯曲载荷。