过热器模块制造SA213TP347H弯头水压漏水分析---(定稿).pdf

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 ③ PT 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 1． 肖纪美 . 不锈钢金属学问题 [M].北京冶金工业出版社， 2006 2． 杨富，章应霖，任永宁，等 新型耐热钢焊接[M].北京： 中国电力出版社， 2006. 3． 王者昌 . 关于焊接残余应力消除原理探讨 [J].焊接学报 2000， 21(2). 4． 王志文，张而耕 . 奥氏体不锈钢使用中直得注意的几个问题 [J]. 化工机械 .2002, 29(6) 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@ ， 0750-6395163 , 13426897157） 。