火电站用T23/TP316H异种金属焊接接头服役损伤分析

丁永三 鲁立 朱红彬 徐建明 张禹 李克俭

摘要：通过试验研究分析了服役后的高温蒸汽管道中T23/TP316H异种金属焊接接头的微观组织、成分和氧化情况。结果表明，在540 ℃/17 MPa条件下服役10 万h后，TP316H钢侧虽会被氧化，但未发现明显的会导致接头早期失效的潜在危险因素;T23钢侧会出现沿焊缝/热影响区界面的氧化，并出现了沿界面的开裂。T23钢与镍基焊缝金属的界面氧化损伤与界面两侧热膨胀系数、高温蠕变强度差异及界面附近的硬度梯度耦合后，很可能诱发界面失效，增加接头早期失效风险。与此同时，T23钢侧未发现蠕变、碳迁移软区等常见的界面失效弱化因素，所以界面氧化损伤是T23/TP36H异种金属焊接接头的主要损伤模式。

关键词：异种金属焊接接头;高温服役;蠕变;氧化;硬度;化学成分

中图分类号：TG401      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）03-0059-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.11

0    前言

铁素体类耐热钢和奥氏体不锈钢被广泛应用于火电站关键构件的制造[1-3]。对整个电站而言，不同位置服役温度不同，有较高蠕变强度和抗氧化性的奥氏体不锈钢常被用于高温段，如过热器、再热器管道，而成本较低的铁素体类耐热钢则被用于低温段，如锅炉、热交换器[4]。焊接是工程中连接两种金属最常用的工艺，故电站中存在大量用于连接奥氏体不锈钢和铁素体类耐热钢的异种金属焊接接头。制造这类接头通常使用镍基合金作为填充材料。焊接快速加热冷却导致的组织不均匀性和不同材料的性能差异会不可避免地弱化整个接头的服役性能，使其极易出现早期失效。有调查表明[5]，电站用异种金属焊接接头早期失效会带来850 000美元/天的经济损失。此外，电站构件早期失效会带来严重的安全问题，故应关注异种金属焊接接头的早期失效行为，分析其失效机理，并为接头的延寿提供指导意见。

上述异种金属焊接接头服役过程中奥氏体不锈钢侧通常较为安全，服役寿命主要取决于铁素体钢侧。铁素体钢侧的失效位置可为母材、热影响区、或焊缝金属与热影响区的界面。失效于母材时多为塑性断裂，断前有缩颈特征;失效于热影响区或界面会使接头蠕变强度低于母材，无明显塑性变形，是一种较为危险的早期失效模式[6]。Ⅳ型裂纹是导致接头失效于热影响区的主要原因，抑制Ⅳ型裂纹可以通过向母材中添加微量的硼元素或优化热处理制度实现[7-8]。但在异种金属焊接接头中更为危险的早期失效模式为沿焊缝金属与热影响区界面的断裂，其根本原因是铁素体类耐热钢母材与镍基焊缝金属的固有成分差异造成的，通常难以避免;同时接头的服役条件恶劣，成分、组织、氧化、蠕变等各种因素耦合在一起，给研究此类接头的界面断裂行为带来了极大的挑战，但也正因为问题的复杂性，关于此问题的研究具有较高的科学与工程价值。文中以某电厂服役约10万h的T23/TP316H异种金属焊接接头的蒸汽管为研究对象，分析了其两侧损伤情况及服役后的组织，并提出了接头的损伤机理，可为火电站异种金属焊接接头服役安全性、寿命延长提供指导意见。

1 试验材料与方法

取样位置为某电厂600 MW亚临界机组分隔屏过热器含异种金属焊接接头的蒸汽管处。管规格为φ50 mm×8 mm，正常工况下管内通水蒸汽、管外为烟气环境。管内蒸汽温度约为540 ℃、蒸汽压力17 MPa，服役时长约10万h。管两侧母材分别为TP316H奥氏体不锈钢和SA213-T23贝氏体钢，如图1所示，化学成分如表1所示。填充材料使用Inconel 82焊材（牌号ERNiCr-3），两侧母材和焊材的拉伸性能如表2所示。接头制造完成后不进行后续热处理。

在接头TP316H钢侧和SA213-T23钢侧分别取试样进行分析。所有试样均从400目砂纸磨至2 000目，随后采用粒度为2.5 µm、0.5 µm的金刚石研磨膏依次对其进行机械抛光。由于母材、焊缝金属的耐蚀性差异，采用两步腐蚀法对试样进行腐蚀以同时获得两侧形貌。T23钢侧采用3%的硝酸酒精腐蚀，镍基焊缝侧采用10%的CrO3水溶液进行电解腐蚀。随后在扫描电子显微镜下观察试样形貌，并用设备附带能谱对局部区域进行成分分析。经试验，电解腐蚀可能会使T23钢侧界面附近的碳化物脱落，故用于界面碳化物观察的试样仅进行化学腐蚀。为获得界面附近更为精确的成分变化，采用电子探针定量分析获取了T23钢侧跨界面成分变化，定量分析点间距4 μm，用于电子探针分析的试样采用电解抛光制备，电解液为65 mL磷酸+15 mL硫酸、12 mL甘油+3 mL去离子水+5 g CrO3的混合溶液。此外，对试样进行跨界面维氏硬度测试，所用载荷200 g，保载10 s。

2 试验结果及讨论

2.1 TP316H奥氏体不锈钢侧组织、成分和损伤分析

服役后接头中TP316H钢侧的组织和成分结果如图2所示。图2a为外管壁附近组织，焊缝为典型柱状晶，热影响区为等轴奥氏体晶粒。TP316H钢与焊缝金属之间并无明显界面，这可能与二者基体同为面心立方晶体结构有关，焊缝金属在凝固时以未熔化的TP316H为形核核心外延生长。成分测试点EDX 1处含4.06% w（O），表明外管壁被氧化。虽然管外壁经过打磨未见明显氧化层，但根据EDX 1结果可推测打磨前外壁存在氧化层。此外，成分测试点EDX 1处含有0.55% w（S），这是外管壁与高温烟气接触所导致的。图2b为内管壁附近组织，内管壁未经打磨，可见明显氧化层，根据EDX 2结果知该氧化层为铁的氧化物。总体来说，虽然此接头在TP316H钢侧服役后内外壁均被氧化，但未发现任何可能导致接头早期失效的危险损伤形式，故可認为TP316H钢侧在当前服役条件下较为安全。

2.2 T23钢侧组织和损伤分析

通过扫描电子显微镜观察服役后的接头中T23钢侧的组织和氧化情况，结果如图3所示。不同于TP316H钢侧，T23钢侧焊缝金属与热影响区间存在一明显界面，这是此类低合金钢成分与镍基82焊材之间巨大的成分差异造成的。特别在外管壁附近发现了沿界面的氧化，如图3a所示，且在扫描电子显微镜下将其放大后发现该氧化物已与界面发生开裂。T23钢侧的外管壁处氧化损伤相对于TP316H钢侧的氧化显然更为严重，随着服役时间的进一步延长，很可能出现沿界面开裂的早期失效情况。

此外，在界面处发现一排沿界面的碳化物。这种服役后沿界面排列的碳化物被称为“Ⅰ型碳化物 ”[12]。这些Ⅰ型碳化物是易于形成蠕变空洞的位置，最终可能会因界面蠕变空洞合并成微裂纹导致接头沿界面失效[13]。但本研究中在界面处Ⅰ型碳化物周围并未发现任何蠕变空洞，表明在此种服役条件下接头的蠕变损伤并不显著，可能并非接头损伤的主要机制。

2.3 焊缝金属/T23钢热影响区界面附近成分分析

服役后T23钢侧界面附近的冶金、性能变化与界面附近较大的成分梯度有关，故应对界面附近的成分进行更为精确的表征。采用电子探针测得的跨界面成分变化如图4所示，其中部分混合区是由于焊接过程中熔融的焊缝金属与熔融的母材未充分混合而形成的，故在该区中成分会从母材成分逐渐过渡到焊缝金属成分。部分混合区与热影响区的界面即为扫描电子显微镜下观察到的宏观界面。从热影响区穿过界面进入部分混合区存在成分突变，主要体现为Fe含量骤降、Ni含量骤增，Cr含量突增。在540 ℃下，除C元素外其他元素难以发生扩散，同时界面附近主合金元素（Fe、Ni、Cr）的分布对碳扩散的影响至关重要。Cr元素可降低C的化学势，即高温下C趋向于从低Cr含量处向高Cr含量处扩散，根据图4中的Cr含量分布可知，高温服役过程中C原子会趋向于从T23钢热影响区向焊缝迁移。部分混合区主要为面心立方晶体结构的奥氏体基体，C原子在面心立方中的扩散系数较低，故从热影响区向焊缝金属迁移的C原子会在界面处聚集，当C含量超過基体的最大溶解度后，就会以碳化物的形式析出，形成图3b中所示的Ⅰ型碳化物。

Ⅰ型碳化物为富Cr的M23C6或M6C，故沿焊缝金属/T23钢热影响区界面析出I型碳化物后意味着界面附近基体中固溶的Cr含量下降，从而促进氧化沿界面发展。氧化物较脆，且因其疏松结构导致承载能力较差，在服役条件下由于镍基焊缝金属与T23钢的热膨胀系数和高温蠕变强度的差异，会使沿界面的氧化物与焊缝金属脱离，即产生图3a放大图中的裂纹。因此，可认为上述沿界面氧化、开裂的损伤可能是导致接头沿界面失效的危险因素。

2.4 焊缝金属/T23钢热影响区界面附近硬度分析

服役后接头T23钢侧的硬度分布如图5所示。由图可知，整个T23钢侧的焊缝金属、热影响区和母材3个区域硬度有一定的差别。热影响区硬度较高，这是由于焊后该区形成淬硬组织，而焊后不进行热处理使得热影响区的淬硬组织得以保留，故热影响区硬度较高。此外，此类接头的常规热处理温度约为700℃，故540℃下长时间服役也并不能使该类接头热影响区中的淬硬区软化，因此服役后依然能够保持较高的硬度。文献[14]指出抗拉强度、屈服强度与硬度值之间存在如下推算关系：

Rm=3.04HV+11.59                         （1）

ReL=3.39HV-246.02                        （2）

根据式（1）、式（2）及硬度值推算得服役后接头T23钢侧的强度分布，结果表明界面两侧存在较大的强度错配。

文献[15]指出，焊缝金属与母材Cr含量差异较大的接头在高温下会发生明显的碳迁移，在界面附近会产生贫C的软区，使裂纹容易在该区域扩展，对接头的安全服役产生威胁。但在本研究中，界面附近未发现软区，故可认为该接头中发生的C迁移尚不足以在T23钢中形成明显贫C的软区。前已述服役过程中沿焊缝金属/T23钢热影响区的界面的氧化是威胁该接头服役安全性的主要损伤形式，焊缝、低合金钢的热膨胀系数差异会促进界面失效;同样，界面附近硬度差异及强度错配也会增大沿界面失效的可能性。

3 结论

（1）镍基填充的T23/TP316H异种金属焊接接头服役过程中会沿焊缝金属/T23钢热影响区界面发生氧化、开裂，威胁接头的服役安全性。

（2）镍基焊缝金属/T23钢热影响区界面处并未发现明显的蠕变损伤、碳迁移软区等常见的界面弱化现象，这表明沿界面的氧化是此接头在当前服役条件下最主要的损伤模式。

（3）接头中TP316H钢侧服役后也被氧化，但未发现明显的会导致接头早期失效的潜在因素，故可认为该侧在当前服役条件下较为安全。

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