摘 要：某电厂600 MW亚临界机组过热器管T91焊接接头泄漏，通过对开裂部位进行一系列试验分析，结果表明，该过热器管焊接工艺执行不严格，使焊缝和热影响区产生粗大淬硬马氏体组织，在多处应力作用下产生热影响区冷裂纹，扩展形成宏观开裂失效。

关键词：T91钢；焊接接头；裂纹；热影响区

中图分类号：TG441.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.074

T91钢具有优异的综合性能，其主要优点是低热膨胀性，良好的导热性、加工性和抗氧化性，高韧性，良好的抗高温蒸汽腐蚀性能，且在高温下有较高的蠕变持久强度和许用应力。T91钢的这些优点使其在电站高温过热器、高温再热器和主蒸汽管道上得到了越来越广泛的应用。但是，由于其工作环境的特殊性，其在长期的高温运行中，势必会逐渐老化，当老化到一定程度时，就有可能发生爆管等严重后果，给实际生产带来隐患。一旦发生事故，就会带来巨大的损失。调查分析表明，在各种事故原因中，焊接质量占45.4%，设计制造占26.4%，材料占21.2%，阀门占6.4%，错用钢材占0.57%，由此可见焊接质量问题的重要性。

1 概述

某电厂600 MW亚临界机组于168 h过后一直停运，再次起机运行一个月后，两根前屏过热器管子焊接接头处发生泄漏，一根高温过热器管子焊接热影响区存在一条长度为30 mm的裂纹，管子材质为SA213-T91，规格均为φ42×5.5 mm。针对这一情况，笔者以这三根管子为研究对象，通过大量试验分析其失效原因。试验内容包括宏观分析、力学性能试验和金相试验。有关管样的情况和编号如下：前屏过热器带焊口泄漏管样编号为1号样、2号样，高温过热器带焊口开裂管样编号为3号样。

2 试验结果及分析

2.1 宏观分析

从图1和图2中可以看出，带焊口的两个管样焊缝及其附

近母材存在多处泄漏爆口和冲刷减薄，其相邻管子有被嗤出的蒸汽冲刷减薄和泄漏的痕迹，蒸汽冲刷处颜色发亮。另外，2号管样泄漏情况和水压试验压力判断应该是机组停运前已经泄漏。从图3中可以看出3号管样未见有泄漏冲刷痕迹。

图1 1号管样开裂局部形貌图 图2 2号管开裂局部形貌图 图3 3号管开裂局部形貌图

进一步观察发现1号、2号和3号管样在焊缝热影响区熔合线附近均存在不同程度的开裂，裂纹比较平直，未发现其他裂纹分支，走向与熔合线平行。1号管样裂纹长度约20 mm，2号管样裂纹长度约25 mm，3号管样裂纹长度约30 mm，且管样圆周中间裂纹较宽，而在圆周两侧，裂纹较细窄。锯床剖开后发现，1号、2号和3号管样的裂纹均沿壁厚方向裂透，且管样外壁裂纹长度比内壁裂纹长，裂纹张口程度较内壁大。三个管样焊接接头附近管子没有明显的塑性变形和胀粗现象。

2.2 化学试验

利用NITON XL3t-898手持式合金分析仪对1号、2号、3号管子进行合金元素定量分析。试验结果表明，3个管样材质都符合ASME SA213-1989 T91规定。

2.3 力学性能试验

在1号、2号前屏过热器泄漏管样（带焊口）取样，加工成等宽条状试样进行室温拉伸试验，而3号管样长度不足，无法加工拉伸性能试样。试验结果如表1所示。

表1 拉伸试验结果

管样编号 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/% 备注

1号 560 720 19.0 断于母材

2号 555 725 18.0 断于母材

ASME SA213-89 T91 ≥415 ≥585 ≥20 /

1号、2号前屏过热器泄漏管样（带焊口）拉伸试验断裂位置均在母材。拉伸试验结果表明，屈服强度、抗拉强度满足ASME SA213-89 T91标准，延伸率小于标准要求。

2.4 金相试验

1号、2号前屏过热器泄漏管样（带焊口）和3号高温过热器管样（带焊口）沿开裂部位圆周中间和两侧较窄焊接接头的纵剖面制备试样，采用机械抛光，将浸蚀剂作为FeCl3盐酸水溶液，在金相显微镜下观察。1号、2号和3号管样开裂部位外壁裂纹开口大，裂纹的产生和扩展均位于热影响区的粗晶区，裂纹的扩展走向为穿晶和沿晶的，并由管子外壁向内壁扩展，裂纹如图4和图5所示。

图4 1号管样裂纹1 00X 图5 1号管样沿晶裂纹 200X 图6 1号管焊缝组织100X

图7 1号管粗晶组织 200X 图8 1号管细晶组织 200X 图9 1号管母材组织 200X

1号、2号和3号管开裂部位和未开裂部位焊缝处组织均为粗大板条马氏体组织，热影响区处的组织有：粗晶区为板条马氏体，细晶区为细小回火索氏体，母材为细小回火马氏体组织（以1号管为例，其金相照片如图6、图7、图8和图9所示）。焊缝、热影响区组织粗大，但组织中未见有蠕变空洞和蠕变裂纹存在，在晶界上没有发现碳化物聚集和长大的现象。

3 结果分析

3.1 热影响区开裂原因

热影响区开裂原因主要有：①宏观分析三个管子焊接接头附近，没有明显的塑性变形和胀粗现象，裂纹均位于热影响区熔合线附近，并由管子外壁向内壁扩展，且裂纹均沿壁厚方向已裂透。②弯曲试验的面弯、背弯断裂位置在焊缝和熔合区附近，而且拉伸试验的延伸率小于标准要求。这两项结果表明焊缝和热影响区韧性差，容易出现缺陷。③金相试验结果表明，焊缝、粗晶区存在淬硬板条马氏体组织，并且晶粒粗大。裂纹均位于热影响区熔合线附近，且裂纹的扩展走向为穿晶和沿晶混合型的，因此可以断定此裂纹为冷裂纹。一般产生淬硬粗大

板条马氏体组织是因焊接线能量过大、焊后冷却速度控制不严或焊后热处理工艺不规范等因素造成的。焊后热处理工艺控制严格，会有效降低T91钢焊接接头的残余应力，同时还能改善热影响区和焊缝组织，使淬硬组织得到回火处理，从而提高焊接接头组织的力学性能；否则，焊接接头质量将无法得到保证。④焊接时，如果焊接线能量大，不仅会产生粗大板条马氏体组织，加热时还会产生比较大的热应力。在冷却过程中，如果采取措施不到位，就会导致焊接接头留有大量的残余热应力。另外，焊缝和熔合区存在粗大的淬硬马氏体组织和母材为细小的回火马氏体组织，具有不同的膨胀系数，在加热或冷却过程中会产生组织应力。还有焊缝余高处的应力集中。上述三种应力叠加，加速了管子焊接接头冷裂纹的产生和扩展。⑤焊接热循环对焊接头热影响区的晶粒长大有重大的影响，特别是紧邻加热温度达到最高的熔合区。当冷却速度较小时，在焊接热影响区会出现粗大的块状铁素体和碳化物组织，使钢材的塑性明显下降；当冷却速度大时，由于产生了粗大的马氏体组织，也会使焊接接头塑性下降。所以T91钢在焊接时，只有严格控制焊接工艺，才能避免或减小焊接接头的失效率。

焊接接头熔合区处裂纹性质为冷裂纹，产生的原因主要有：①T91钢由于焊后产生的马氏体的组织应力和扩散氢、拘束度等综合作用，导致其具有较大的冷裂倾向；②T91钢的淬硬倾向大、焊缝余高结构处应力集中；③与管子焊接时的工艺条件、工艺措施和焊后热处理工艺密切相关，特别是焊后缓冷速度控制不严和焊后热处理工艺规范未有效降低T91钢的冷裂纹产生条件。

3.2 管样泄漏原因

由于1，2号管焊接接头熔合区开裂没有明显的张口，断口也未见冲刷痕迹，因此，熔合区开裂不是此次泄漏的首漏点。从1，2号管实物蒸汽相互冲刷痕迹和爆口形貌分析来看，首漏点应该位于焊接接头焊缝上，由于首漏点处焊缝被冲刷掉，因此未能对其金相组织分析。由1号管未开裂部位纵截面金相可见，焊缝内部有气孔和裂纹缺陷，不排除首漏点焊缝内部存在焊接缺陷。焊接缺陷会引起应力集中，进而引起裂纹，最终导致焊接接头泄漏。

4 结论

从以上分析可以看出，前屏过热器焊接接头内部存在焊接缺陷，从而引起裂纹产生，最终导致焊接接头失效；前屏过热器和高温过热器的热影响区熔合线裂纹为典型的冷裂纹；焊缝、粗晶区淬硬粗大板条马氏体组织和焊接残余应力是前屏过和高过焊接接头热影响区熔合线开裂的主要原因；严格按照T91焊接工艺措施、焊接工艺条件施焊是避免焊接接头组织及热影响区组织出现缺陷，保证焊接接头质量的重要措施。

参考文献

[1]娄杰云.T91/P91钢的性能分析及焊接工艺[J].华电技术，2010，32（4）：35-38.

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作者简介：张伟妮（1984—），女，陕西咸阳人，硕士研究生，主要从事发电厂金属监督工作。

〔编辑：王霞〕