过热器模块制造SA213TP347H弯头水压漏水分析
刘伟伟孙华
(福斯特惠勒动力机械有限公司广东江门529141)
摘要在某项目过热器模块制造过程中,发生一起SA213TP347H不锈钢弯管裂纹,导致的水压漏水事故。通过对漏水部位取样做金相检验,并按照生产工艺流程制造模拟试件,分析认为裂纹产生的原因是:弯管和焊接过程产生的应力叠加导致弯头区域应力较大,焊接热输入和随后的固溶热处理升温过程导致不锈钢晶界劣化,同时在固溶热处理升温阶段随着温度的升高材料的屈服点显著下降,在较大的应力下导致裂纹产生,并逐渐扩展导致断裂失效。
关键词弯管焊接固溶热处理应力劣化裂纹
Leaking analysis of SA213TP347 bend of superheater module
Hhydraulic test
LIU Weiwei SUN Hua
(Foster Wheeler Power Machinery Co., Ltd, Jiangmen Guangdong 529141, China) Abstract One S347TP347H bend occurred leak when hydraulic test in one project superheater fabrication. Through exam the leak bend microstructure and a specimen that same the produc
-tion process and combine the production process to analyse the root reason are: the stress of bend stress pile up welding stress, the metal crystal boundary were worsen by welding heat input and heating period of solution annealing, the metal yield intensity lower when temperature rising of solution annealing heating. Together the three factors force the metal crack, and gradually extend.
Keywords Bend Welding Solution annealing Stress worsen Crack
随着人们环保意识的提高,火力发电机组效率和污染气体排放问题亟需得到改善。提高火电机组参数如蒸汽压力、温度能够有效提高燃料利用率并且减少污染气体的排放。奥氏体不锈钢作为一种优异的高温材料,已经在锅炉过热器和再热器上得到广泛应用,如SA213TP304H,SA213TP347H等。但是,近些年常有奥氏体不锈钢在工作温度下提早失效的报道。
笔者在从事某一过热器模块(设计压力为:14.0MPa,水压试验压力为:21.0MPa)制造时,经历了一起SA213TP347H过热器模块水压试验时漏水事故;本文分析了裂纹产生的原因,并在此基础上提出奥氏体不锈钢在过热器制造过程中应注意的事项,这对提高制造质量,预防类似事故的再次发生具有一定的指导意义。1 漏水事故背景
目前,锅炉制造过程中,过热器、再热器向集约化、紧凑化发展,形状较为复杂多变。本次漏水的过热器模块和弯头的形状及裂纹位置分别如图1、图2和图3所示。
图1 过热器模块
图2漏水弯头
图3 漏水裂纹位置
2 过热器材质及制造工艺
主材:SA213TP347H管子,规格:50.8mmOD x 7.5mm,晶粒度为6级。
附件:SA240-310S角搭扣,厚10mm,位于弯头区域,形状如图2所示。
制造工艺流程如下:
①弯管→②焊接附件→③渗透检查
(PT)焊缝→④整体固溶处理→⑤整体
稳定化处理→⑥组装模块
①弯管弯管机冷弯,弯曲半径为1.5倍的管子外径(即弯曲半径R=76.2mm),最大处形变处变形率为10%。
②焊接附件角搭扣与管子焊接采用手工电弧焊,焊条为E308H-16 Ф3.2mm,焊脚尺寸为6.4mm,焊接电流为100-110A,焊接电压为22-23V。
③PT检查焊缝100%PT检查角搭扣与管子的焊缝。
④固溶热处理焊后管排整体固溶热处理,固溶温度为1155-1170℃,保温25分钟。
⑤稳定化热处理管排整体稳定化,稳定化温度900℃,保温4小时。
⑥组装模块组装过程中有通过拉、拽等机械方式调节管排尺寸。
3 检验分析
3.1宏观检测
裂纹源距离焊缝边缘约3-4mm,如图4所示;其裂纹走向沿着角搭扣焊缝,呈渐开放射状,如图3所示;在裂纹缝隙有肉眼可见的氧化物。
焊缝外观成型较差,有明显打磨修饰的痕迹。
图4 裂纹处剖面金相
3.2 金相分析
图5 裂纹起始端金相
图6 裂纹末端金相
裂纹起始端为典型的沿晶开裂,两侧的晶粒并无明显差异,但是紧邻裂纹边缘的晶
粒明显较小(见图5);而在裂纹的末端,为典型的穿晶断裂(见图6),且晶粒较裂纹起始端明显粗大。从图5和图6可以看出,弯管区域的晶粒大小不均匀,这可以从弯管时不同区域的变形量不同得到解释。但除裂纹边缘的晶粒较细(约8级)外,其它区域均处于4-7级的正常范围。
4 裂纹形成时机分析
对于奥氏体不锈钢,鲜有延迟裂纹的报道,加上此弯管形变率并不高(小于10%),远低于347H材料的延伸率,从理论上分析,结合多年的生产经验,可以排除弯管加工直接弯裂纹的可能性。
从制造过程来看,因为焊接后、固溶热处理前,对角搭扣与管的焊缝进行了100%PT检查,没有发现有显性的缺陷特征,可以断定裂纹发生在PT检查之后。
裂纹断口氧化明显且在裂纹缝隙中发现大量的氧化物,说明断口受到高温氧化,结合制造过程可以得知,裂纹的出现是在固溶热处理之前,或者固溶热处理过程中,或者稳定化过程中。
5 裂纹形成过程分析
从应力的角度分析,弯管加工时会在弯管外侧表面产生拉应力。焊接过程会导致弯管外侧表面产生沿焊缝周向的拉应力,特别是在焊缝端部,焊接应力正好与弯管时产生的应力正向叠加,导致焊缝端部的管表面应力最大,而裂纹源恰巧就在距离焊缝端部3-4mm处的管子母材上,这说明应力是导致裂纹产生的一个重要原因。但观察断口形貌,未发现有明显的塑性变形,说明在固溶处理前,应力水平并未达到能使材料发生明显塑性变形的程度,应力不是导致裂纹产生的决定性因素。
从焊缝距离裂纹的距离看,裂纹起始端距离焊缝最近距离约为3-4mm,最远距离约为15mm,裂纹均位于焊接热影响区(HAZ)远端,焊接并未对裂纹处材料的晶粒大小造成明显影响。
固溶热处理升温阶段,在450-850℃期间,奥氏体不锈钢材料处于敏化阶段[1],为验证焊接和固溶升温阶段对HAZ细晶区的影响,制作了模拟弯管和焊接附件搭扣的模拟试件,并模拟固溶热处理加热阶段,即模拟试件进炉后升温至850℃出炉水冷,切取距离焊缝端部3.5mm处的HAZ细晶区试样,从制备的金相照片可以看出,晶界粗化明显,且有碳化物析出,材料晶界劣化迹象明显(见图7)。
图7 模拟试样HAZ细晶区金相
固溶热处理升温阶段,促使材料敏化的同时,还导致材料的屈服强度下降,同时又由于高温时(等温强度以上),材料的晶内强度大于晶界强度,(这地方补充点东西,前后过渡太突然了)所以粗晶区的强度大于细晶区的强度[1],当HAZ细晶区屈服强度下降至此区域应力极限时,即发生了断裂,这也解释了裂纹为什么不是产生于焊接热映影响区粗晶区,而是产生于HAZ 细晶区的原因;裂纹源出现后,随即引起裂纹尖端应力集中加速裂纹扩展,同时产生穿晶裂纹,沿着弯管应力与焊接应力叠加形成的最大拉应力线方向逐渐扩展,呈图3所示的渐开形状。
另外,由于此次固溶热处理采用的是过热器管排整体热处理,工件在热处理过程中受热而膨胀产生的变形受到其自身重量和托架的约束,导致无法自由变形,也会导致热处理过程中热应力增加。
6 结论与措施
此次漏水处裂纹产生的原因是:弯管和焊接过程产生的应力叠加导致弯头区域应力较大,焊接热输入和随后的固溶热处理升温过程导致不锈钢晶界劣化,同时在固溶热
处理升温阶段随着温度的升高材料的屈服点显著下降,在较大的应力下导致裂纹产生,并逐渐扩展导致断裂失效。
此次事故表明:在制造过程中,并不能因为奥氏体不锈钢的塑性好而忽略制造工艺控制的严谨性。必要时在焊接搭扣附件前固溶处理一次消除弯管加工产生的应力,在焊接附件搭扣时,必须严格控制焊接热输入及焊缝成型,以降低焊接对材料的热影响和焊接应力,同时固溶热处理时工件放置也要考虑热膨胀引起的拘束应力的影响。
参考文献
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5.热处理对ASTM S30432奥氏体耐热钢性能的影响[J].金属热处理. 2009 34(8)
(作者:刘伟伟(1980-)本科学历,主要从事电站锅炉焊接及热处理工艺工作。联系方式:weiwei_liu@https://www.doczj.com/doc/c815464365.html, ,0750-6395163 , 134********)