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铁素体异种钢焊接接头早期失效原因分析及防治措施

文档作者：杜新丰张国山文档来源：甘肃电投张掖发电有限责任公司		点击数：	更新时间： 2022年10月19日
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奥氏体／铁素体异种钢焊接接头
早期失效原因分析及防治措施
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文／甘肃电投张掖发电有限责任公司 杜新丰 张国山
摘要：本文通过国外异种钢焊接接头早期失效l青况统计，分析了奥氏体，铁素体耐热钢(A／F)焊接接头
早期失效的原因，介绍了： (1)采用新型镍基焊接材料； (2)采用较大的坡口角度和增大焊缝宽度；
(3)选择较高的回火温度-5~-3；f~有效提高异种钢焊接接头使用寿命的方法。
关键词：奥氏体耐热钢(A)；铁素体耐热钢(F)；异种钢焊接接头；早期失效
1 概述
随着火电机组用耐热钢的发展，火电锅炉
经历了从超高压(13～15MPa t~<540cC)、亚临界
(16～19MPa t≤540℃ )、超临界(24～26MPa t
~<566℃ )到超超临界(24～31MPat~>580℃)的
发展历程。为了提高机组效率，火电机组普遍
采用了新型细晶强韧化铁素体耐热钢和新型奥
氏体耐热钢，这些新型耐热钢的广泛使用，不可
避免的出现了奥氏体耐热钢／铁素体耐热钢(以
下用A／F表示)异种钢焊接接头，这些异种钢焊
接接头具有早期失效倾向，这种早期失效现象，
常迫使机组非计划停运，甚至造成重大事故。
2 国~bA／F异种钢焊接接头早期失效
情况统计
2．1 加拿大0H公司从31000@~种钢焊接接头运
行实绩得出经验，认为这种接头大概运行50000
小时，350次启停后，就将有480+ (占1．55％)
的接头发生失效。
2．2 英国CEGB统计了10万多个铁素体／奥氏体
的异种钢接头，其中103554个接头是镍基填充
金属的，9474个接头用的是奥氏体填充金属的，
统计表明，用奥氏体填充金属的焊接接头早期
失效的概率比镍基填充金属的高，而且开始发
生失效的时间早。前者在运行1万小时，其失效
的概率已经达到≥1％。而镍基填充金属的接头
在运行1万小时后失效的概率很小，运行loTY小
时后才到达≥1％的水平。统计结果见图1。
2．3 美国TvA公司的30台锅炉，在1970～1983
年10多年中发生了250次因异种钢焊接接头过早
失效而被迫非计划停机的事件。表1是美国统计
的异种钢焊接接头早期失效情况，从表1可以看
到早期失效的随机特点。
3 奥氏体，铁素体(A／F)异种钢焊
接接头早期失效原因分析
作者简介：杜新丰(1967一)，男，副总经理，工程师，目前从事企业技术管理工作。
现代焊接2015年第4期总第148期J一57
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象
服役时间(h)
图1 CEGB的统计
焊接过程中，由于两种不同成分、不同晶
体结构的金属互相掺合，在其熔合线附近出现
了化学成分、金相组织、机械性能和物理性能
的不均匀性。由于这些不均匀性的存在，给焊
接接头的安全使用带来了很大不利，导致焊接
接头早期失效。经过国内外学者多年的观察研
究，A／F异种钢焊接接头早期失效和焊接缺陷
无关，失效原因主要有以下几点：
3．1 碳迁移：异种钢焊接接头在服役过程中，
由于熔合线两侧存在悬殊的成分差别，促使C
元素在焊后热处理或随后的加热过程中不断地
从低合金侧向高合金侧迁移，使高合金侧增碳，
形成增碳层，低合金侧脱碳，出现脱碳层。焊
缝熔合线附近的碳迁移带，造成该区蠕变抗力、
持久强度和塑性的下降，直接导致焊缝熔合线
奥氏体 开始出现失效的时间 29o0O～1250O0}
填充金属 平均开始出现失效的时间 74000h
开始出现失效的启动次数 30～290次
镍基合金 开始出现失效的时间 40000～12000O
填充金属 平均开始出现失效的时间 l0O0o0h
化学元素I C l Mn l Si cr l Fe l Nb+Ta Ni I Cu S／P Ti
ERNiCr3 l≤0．1012．5～3．5l≤o．50 18～22l≤3．012．0～3．0 ≥67．0I≤0．50 ≤0．02 ≤0．7：
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强度降低，并最终导致焊接接头早期失效。
3-2 线膨胀系数不同：成分和组织不同的母材，
其线膨胀系数不同，焊在一起往往使焊接应力
和变形比同种钢焊接时大，在部件承受热循环
影响时将会在熔合面处产生较高的热应力，这
个热应力是热膨胀系数的差异△a和温度变化范
围△T的函数，这种高温应力也是造成界面破
坏的主要原因。
3．3 过渡层的形成：靠近熔合线的焊缝金属会
出现过渡层，称其为凝固过渡层。这个凝固过
渡层的成分是变化的，靠近母材部分的成分接
近母材，越靠近焊缝其成分也越接近焊缝金属。
经过国内外专家研究，这个凝固过渡层是焊接
异种钢时会遇到的性能难以控制的区域，它的
存在也影响接头的整体．陛能。
4 防治措施
4．1 选择镍基焊接材料：对异种钢早期失效的
现象，国内外学者已经研究了几十年，根据表
1和图1的统计数据，用镍基合金材料作为奥氏
体／铁素体异种钢焊接接头的填充金属，可以延
迟出现早期失效的时间，减少了因膨胀差引起
的热应力。根据《火力发电厂异种钢焊接技术
规程》的要求和国内外提供的大量实践案例，
选用ERNiCr3(线膨胀系数为l4．5×10 qC )焊
接材料，其化学成分见表2。焊缝金属的线膨胀
系数与铁素体钢母材相近，使热应力集中在塑
性变形能力强的奥氏体钢母材上，而且焊接接
头具有一定的高温强度和塑性，在一定程度上
能控制碳的迁移，是铁素体耐热钢和奥氏体耐
热钢比较理想的填充材料。
4．2 采用较大的坡口角度，增大焊缝宽度：根
据外国专家Ryder~我国章应霖教授的实验结果，
采用较大的坡口角度，使焊缝宽度最大值(rt)
尽量到达1时(r为管子的平均管径，t为管子的
壁厚)，A／F异种钢焊接接头寿命会增大50％左
右。坡口如图2。
4．3 选择较高的回火温度：F／A异种耐热钢焊
瓣 鼹 妊酶
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图2 镍基填充金属的优化坡口
接接头中的Cr、Mo铁素体耐热钢，它们正常的
工作状态是调质状态。这类钢经过焊接的快速
高温加热，原来弥散分布于基体中的碳化物被
焊接的高温加热所凝固，并随后形成马氏体，
如果接头在焊后经过了高温回火热处理，近缝
区马氏体得以充分的回火，析出高温回火状态
下的碳化物，接头就以这种更加稳定的组织开
始运行。经过国内外专家研究，提高F／A异种
耐热钢焊接接头高温回火温度，在开始运行前
经过70O℃以上的高温回火，令碳化物尽早析出，
并令其颗粒变细，在后期运行中其I型碳化物
可能会较晚出现，从而其使用寿命会延长。
5 结束语
我国早期安装的火电锅炉，其MF异种钢焊
接接头普遍采用奥氏体材料焊接。由于碳的迁
移、线膨胀系数不同、过渡层的形成，焊接接
头容易发生早期失效事故。本文提醒广大火力
发电厂相关技术人员，对使用超过5万小时的
F／A异种钢焊接接头要进行剩余寿命评估，采用
新型焊接材料、优化焊接工艺等方法来提高MF
异种耐热钢焊接质量，保障电力设备的安全、
经济、稳定运行。
参考文献
[1】杨福，章应霖，任永宁，李为民．新型耐热钢焊接．中国电力出版社．
[2]黄瑾，崔雄华，郑坊平．异种钢焊接接头组织老化及损伤状态评估
方法介绍．热力发电，2．010．
征稿
《现代焊接》杂志征稿启事
国际标准刊号155N 1991—6205
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《中国知识资源总库》期刊(Z)TO049
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《中文科技期刊数据库》期：FU]2—1043
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