刘强
(南京三信防务装备股份有限公司 江苏 南京 211300)
摘 要：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。
关键词：T91接头；Ⅳ型裂纹；细晶粒热影响区；蠕变断裂
Fracture failure analysis of weld joint of the steam sampling tube
LIU Qiang
(Nanjing Sanxin defense equipment CO, Ltd, Nanjing ,Jiangsu Province, 211300.)
Abstract: The fracture causes and Type-IV cracking mechanism of the T91 weld joint investigated through analysis of the macro-morphology , chemical composition, microstructure , hardness and heat treatment test. The results show that the fracture type is Type-IV cracking,and the crack is located at the FGHAZ close to IGHAZ, where martensite transform to ferrite +carbide，then the hardness decreases,leading to deterioration of creep performance,which finally results in the brittle intergranular fracture due to cavity. The main reason of fracture is that overtempering，and operating temperature is higher than normal level,and joint subjected to larger external loads.
Key words: T91 weld joint; Type-IV cracking; FGHAZ; Creep rupture
1 引言
为了减少CO2温室气体排放，火力发电机组不断向高参数、高效率发展，为了满足不断提高的温度、压力参数，以T/P91、T/P92为代表的新型9%～12%Cr马氏体耐热钢在锅炉高温高压部件中得到广泛的应用。但随着这类钢运行时间逐渐延长，近年来却频频出现了T/P91、T/P92钢接头热影响区开裂事故。
某电厂主蒸汽管道蒸汽取样管材质为SA-213T91，规格为Φ32×9，内部蒸汽温度为605℃，压力为29.15MPa，2009年1月投入运行，2016年2月，取样管与管座对接接头发生断裂并泄漏。本研究通过一系列的理化试验及模拟热循环试验，对接头的断裂原因进行了分析，并提出了预防措施。
2 试验过程与结果
2.1 外观检查
发生断裂的T91接头见图1，箭头处为开裂位置，放大后见图2，接头管座侧热影响区约1/3圈开裂，距焊缝边缘3～5mm不等，为穿透性裂纹。
2.2 元素成分分析
开裂位于管座侧母材区域，对管座侧母材进行光谱分析，结果见表1，元素含量均在ASME成分规范之内。
2.4 金相分析
开裂位于细晶区尾端（图4）；熔合区域及粗晶区未见裂纹及孔洞；细晶区开裂两侧碳化物大量析出，且出现大量蠕变孔洞（图5）。图6为周向未开裂位置细晶区硬度最低处显微组织，呈铁素体+碳化物的等轴晶形态，马氏体板条形态完全消失。图7为管座侧母材内壁氧化形貌，氧化皮厚度达0.36mm，且有开裂现象。
在粗晶区、细晶区开裂旁、母材区域分别观察其背散射电子像（图8），粗晶区及母材均为浮凸状马氏体形貌，而细晶区无马氏体形态，且孔洞较多；而碳化物数量（白色点状颗粒）和晶粒大小，按细晶区、母材、粗晶区顺序依次减少。
3.2 断裂机理研究
理化试验结果表明，由于某种原因（焊后热处理或高温运行），焊接热循环形成的细晶区的部分区域，马氏体发生回复及再结晶，转变为铁素体，且碳化物（或Laves相）大量析出，导致该区域软化，长期运行后形成蠕变孔洞并发生脆性断裂。这个初步结论引出两个问题：①为什么仅仅在细晶区发生了马氏体向铁素体的退化？②如何解释呈脆性特征的晶界孔洞聚集型蠕变断裂行为？
对于第①个问题，可以从细晶区所经历的焊接热循环来解释。图10为T91钢热影响区组成及经历的热循环，在靠近临界热影响区的细晶区位置，发生了如图11所示的马氏体转变：由于加热温度的原因，该区域奥氏体化并不完全，转变生成的马氏体稳定性差，在随后的焊后热处理和高温蠕变过程中，发生了回复和再结晶，且未溶解的M23C6同时发生了粗化；这是导致细晶区软化的主要原因。
为了证明上述观点，笔者选取了一段正常硬度的T91管段，进行模拟热处理试验（降低正火温度、延长回火时间），试验工艺及理化检验结果见表2，其组织、硬度、晶粒大小都类似于本失效案例中的细晶区组织（图6）。
对于第②个问题，武汉大学王学教授等通过试验分析认为焊接接头的不连续性导致了蠕变断裂行为的改变【2】：FGHAZ蠕变性能劣化使其高温强度低于母材及焊缝，造成焊接接头力学性能的不均匀，在拉伸蠕变过程中FGHAZ的变形受到周围材料的拘束，形成三轴应力状态，促进蠕变孔洞长大，最终使焊接接头发生孔洞聚集型蠕变断裂；而均质FGHAZ试样由于没有三轴应力作用，孔洞形核后无法长大，不能稳定存在，因此断裂部分观察不到蠕变孔洞。
3.3 断裂原因分析
从断裂机理可知，对于9Cr的马氏体耐热钢，在焊接后会不可避免的出现马氏体稳定性较差的细晶区域，如果随后的回火处理或高温运行时，发生了超温过热，马氏体就可能会发生回复和再结晶，抗蠕变性能和显微硬度均会大幅下降。主蒸汽取样管内部介质温度达605℃，超过《T91/P91手册》中的推荐的金属最高温度（600℃）【3】；另外，接头处（爆口紧邻母材）内壁氧化皮达0.34mm，且该接头旁的T91母材硬度（180HV）亦低于正常水平，说明该接头焊后热处理时发生了过回火现象。
根据Lamè拉美公式（图13）计算，主蒸汽取样管轴向应力仅6.9MPa，环向应力在内壁处最大（42.9 MPa），外壁处最小（13.8 MPa）。主蒸汽取样管接头为环向开裂，显然是受到了轴向的拉伸应力，轴向应力远低于T91钢600℃时的许用应力(65MPa)【4】，不可能使其在运行约5万小时发生周向的蠕变断裂。因此该接头必然受到了除蒸汽内压以外的外部载荷，近期某电厂的T92放空气管与三通对接接头亦发生了周向的Ⅳ开裂，显然，这些炉外小管由于管系复杂，如果由于管路设计不合理很容易发生膨胀受阻而受到较大的弯曲载荷。这是本次取样管Ⅳ开裂的另一个主要原因。
4 结论
（1）主蒸汽取样管接头失效为Ⅳ型开裂，接头细晶区发生了晶界孔洞聚集型蠕变开裂。
（2）主蒸汽取样管接头发生Ⅳ型开裂的外在原因为：焊后过回火、运行温度偏高以及受到了外部弯曲载荷
（3）通过降低正火温度至960℃、延长回火时间的热处理模拟试验，得到与失效接头细晶区晶粒大小、组织、硬度非常相似的模拟试样，可以很好的解释Ⅳ型开裂位置组织形成及软化机理。
参考文献：
[1]Scheller H J,Haigh L,Woitscheck A.Der Mascginen-Schadem,1974;47:1.
[2]王学,潘乾钢,陶永顺等.P92钢焊接接头Ⅳ型蠕变断裂特性[J].金属学报,2010,35(8):52-56.
[3]The T91/P91 Book[M].Vollourec & Mannesmann Tubes.1999.
[4]ASME锅炉及压力容器规范 Ⅱ材料D篇 性能（公制）[S].
作者简介：
刘强，1986年6月，男，助理工程师，主要从事电厂承压金属部件的失效分析工作，近年来主要研究低硬度P91钢的寿命预测和IN783螺栓断裂机理等。
论文作者:刘强
论文发表刊物:《知识－力量》2017年11月下
论文发表时间:2018/3/16
标签：孔洞论文; 蒸汽论文; 硬度论文; 碳化物论文; 马氏体论文; 发生论文; 应力论文; 《知识－力量》2017年11月下论文;