超临界机组高中压进汽插管 焊缝失效分析及处理 大唐华中电力试验研究所 2015 年 8 月

、概述 2014 年 4 月 4 日，某厂 660MW 机组在运行时发现高中压 缸下缸 #3 高压进汽插管焊缝泄漏。 汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计制造的 CCLN /600/600 型超超临界凝汽式汽轮机。机组于 2009 年 6 月投 产，已运行 3.2 万多小时。 高中压进汽插管材料为 1Cr9Mo1VNbN (P91) ，高中压外 缸材料为 ZG15Cr2Mo1 (F22) 。采用的是镍基焊材填充的手 工电弧焊焊接工艺。

、调查分析 2.1 宏观检查 泄漏处位于 #3 高压进汽插管焊缝靠插管侧熔合线处，是 一条长约 3/4 圆周的裂纹， 1/4 裂纹已贯穿，见图 1 。 裂纹 图 1 #3 高压进汽插管焊缝裂纹形貌 插 管 插 管 缸体

图 2 高压进汽插管结构图 进汽插管 插管焊缝 接高压导汽管 高压外缸

图 3 插管焊缝结构图 插管侧和缸体侧母材坡口上分别是约 8mm 和 15mm 的镍基焊 条过渡层，焊缝中间是用镍基焊材填充。焊缝裂纹具体处于插 管镍基过渡层的熔合线上，焊接接头结构形式及裂纹位置图 3 。 缸体 中间焊缝 出现裂 纹处 插管 过渡层

对其余 7 个高中压进汽插管的焊缝进行全面探伤检查， 发现其余 7 个焊缝都存在多条宏观裂纹。裂纹的分布有沿 两侧熔合线和焊缝上两种。高压进汽插管焊缝裂纹最长约 30mm ，中压进汽插管焊缝裂纹最长约 80mm ，位于中压 #4 进汽插管焊缝靠近缸体（ F22 ）侧焊缝表面。 2.2 表面探伤检验

图 4 ：中压 #4 进汽插管焊缝裂纹形貌 裂纹 缸体 插管

对高中压进汽插管的焊缝全部进行金相检查，焊缝金相组 织均为胞状和柱状树枝晶，晶粒粗大。焊缝均存在有晶间腐蚀 倾向并存在微观沿晶裂纹。 图 5 ： #1 高压进汽插管焊缝组织形 100× 2.3 微观组织检验 图 6 ： #2 高压进汽插管焊缝裂纹形貌 100×

图 7 ： #4 高压进汽插管焊缝裂纹形貌 100× 图 8 ： #3 中压进汽插管焊缝晶间腐蚀形貌 100×

图 10 ： #4 中压进汽插管熔合线及焊缝裂纹形 100× 图 9 ： #4 中压进汽插管焊缝裂纹形貌 100×

焊接工艺调查 该型号机组为引进日本三菱公司技术，高中压进汽插管焊接 采用三菱公司提供的镍基合金堆焊、整体镍基合金材料填充的 焊接工艺。焊接工艺要点如下： 1. 在插管侧坡口用 ENiCrFe-1 焊条堆焊约 15mm 的过渡层，堆焊 前预热 ℃，堆焊后 740±10 ℃高温回火处理。 2. 在缸体侧坡口用 ENiCrFe-1 焊条堆焊约 8mm 的过渡层, 堆焊前 预热 ℃, 堆焊后未进行焊后热处理。 3. 插管组装到缸体后，采用 ERNiCr-3 焊丝打底和 ENiCrFe-1 焊 条

填充，焊前不再预热，采用冷焊法，要求层间温度不超过 150 ℃，焊后不再进行热处理。 汽轮机厂家提供了过渡层堆焊的焊接工艺评定报告，从报 告的内容看，评定的项目是齐全的，焊样经过外观检查、无 损探伤、拉伸、弯曲、 金相、硬度等检测，也均合格。说明 过渡层堆焊焊接工艺是有合格的工艺评定为依据的。未提供 焊接接头镍基焊材填充的焊接工艺评定报告。 同时未见到插管焊缝的焊接记录、焊后检验等资料。

原因分析 ①从所了解的焊接工艺来看，缺少镍基焊材填充的焊接工 艺评定报告。从现场检查情况看，所有的焊缝都存在微观裂 纹，有普遍性；从微观金相组织看，焊缝金属晶粒粗大，存 在晶间腐蚀裂纹，说明焊接时规范较大、焊缝在 “ 敏化温度区 ” 停留时间较长。 ②堆焊层与 P91 钢的强度差别大，堆焊工艺执行效果不佳及 热处理效果不良，会导致 P91 插管侧镍基堆焊界面成为强度 薄弱部位 。

综上所述，认为焊接时工艺控制不当，致使焊缝金属晶粒 粗大及在敏化温度区停留时间过长而出现焊缝金属的晶间腐 蚀倾向，造成高中压进汽插管焊缝出现普遍的沿熔合线的晶 间腐蚀裂纹及焊缝晶间腐蚀裂纹。 P91 钢与镍基合金界面 ③镍基焊缝金属与两侧母材金属的线膨胀系数差值较大，在 机组启 - 停和变动负荷工况时， 两侧母材与镍基合金界面区 域形成的热应力相对较大。

区域较大的热应力和结构残余应力，是插管焊缝沿堆焊层 熔合线开裂泄漏的主要原因。 因此，所有焊缝已不能通过修复的方法来消除缺陷，需 要： ① 将焊缝全部清除，重新进行焊接。 ②更换焊接工艺，应尽量少用或不用镍基材料焊接。

、焊接工艺方案 P91 钢属于 9Cr-1Mo 高强度马氏体耐热钢，主要用于亚临 界、超（超）临界机组壁温不超过 600 ℃的高温集箱和蒸汽 管道。 该钢具有相当高的冷裂倾向，在不预热条件下焊接 裂纹达 100% ，当预热 200 ～ 250 ℃时可避免冷裂纹的产生。 在焊接过程中严格控制焊件的层间温度和控制焊接输入热 量，焊接接头在焊后状态为高硬度的不稳定组织，必须及 时焊后热处理。 3.1 焊接性分析

F22 属于 Cr 及 Mo 固溶强化的贝氏体热强铸钢，具有良好 的综合性能，主要用于工作温度 ≤566 ℃的汽轮机内缸、阀 壳、喷嘴室等铸件。其碳当量为 % ，同样具有较 大的淬硬倾向，若焊后冷却速度稍高，极易产生冷裂纹。 同时，还有一定的再热裂纹倾向，可通过焊前预热、控制 好层间温度、低的焊接线量等措施来控制。

一、采用同质材料作为填充金属 （热焊法） P91 钢与 F22 均属于 B 类钢，焊接时： 1 ）焊材一般按与 F22 匹配选择，焊丝可选用 TIG-40 、焊条 E6015-B3 （ R407 ）。 2 ）预热温度按 P91 钢、焊后热处理按与 F22 要求的上限温度来 确定。 优点：工艺成熟，焊接质量有保障，接头的化学成份和高温 性能与母材相当。缺点：工作量大、工艺复杂、操作难度大。 3.2 焊接工艺

二、采用镍基材料作为填充金属 （冷焊法） 镍基焊材含镍量大于 60% ，含有多量其它因素，耐高温、 耐腐蚀。常用的是 Ni-Cr-Fe 系和 Ni-Cr 系列。镍基焊材的最大 优点就是焊后不用热处理。 高中导进汽插管与缸体装配时，由于缸体体积和厚度较大 ，结构也比较复杂，焊后在局部加热较高温度的话 ，若工艺 控制不当，很容易在加热部位造成较大应力，引起缸体变形 。这就是汽轮机厂选用镍基材料焊接（冷焊法）、避免焊后 高温回火处理的原因。

存在的问题： 1. 焊缝具有较大的焊接热裂纹倾向，需严格控制热输入量 ，减少接头在高温停留时间。 2. 焊接接头的晶间腐蚀倾向大。 3. 镍基材料焊缝线膨胀系数大，在使用时与两侧母材金属 的熔合线上产生较大的膨胀应力，容易引起焊缝熔合线处 开裂。

焊后超声波探伤检验的问题。还没有相应检验标准。 目前，电力行业焊接方面的规程还没有这方面的规定。 综合以上两种工艺方案，为彻底消除插管焊缝缺陷隐患， 决定采用同质材料工艺 ( 工艺方案一）对焊缝进行处理，镍 基焊材工艺 ( 工艺方案二）可做为临时处理措施。

、处理情况 全部焊缝同时采用方案一处理，难度大、工期长 ，综合考虑 ，对 #3 、 #4 高压进汽插管焊缝进行彻底处理，其它 6 道焊缝先 按工艺方案二进行临时处理，以后再逐步彻底处理。 4.1 彻底处理措施 工艺要点： 1. 将原焊缝的过渡层、填充层和两侧母材热影响区淬硬层全部 打磨去除，靠近缸体侧焊缝底层留 4mm, 靠近插管侧焊缝底层留 2mm ，并圆滑过渡。（为防止打磨至焊缝根部，局部应力过大

造成底部焊肉撕裂管道错位，可用钢板对称布置将两端母材 临时 “ 搭桥 ” 点焊定位，插管侧点焊需加热处理防止裂纹产生 。 3. 应按照 P91 钢的焊接操作工艺要点进行施焊。 4. 焊后热处理控制在 740±10 ℃ ，在保证焊缝及热影响区热处 理温度的同时，保证缸体母材温度不超过 710 ℃，要在缸体侧 布置一个热电偶实时监控缸体温度。 新焊口经过表面探伤、超声波探伤、金相组织和硬度检查 。

工艺要点： 1. 打磨裂纹，对打磨深度超过 5mm 的采用冷焊法补焊，未 超过 5mm 的可圆滑过渡，不用补焊。 2. 层间温度小于 150 ℃ 3. 小电流、短弧焊、断续、分散、对称焊。 补焊部位经过表面探伤检查。 4.2 临时处理措施

焊缝形式 目前已检查 10 台同类型机组，发现高中压进汽插管焊缝 共有三种形式： 1 ） P91 插管与 F22 缸体对接，采用镍基焊材。 2 ） P91 插管与 F22 缸体对接，采用同质焊材。 3 ） F22 插管与 F22 缸体对接， 采用镍基焊材。 5 、同类型机组检查情况

第 3 种插管形式如下图。 图 11 ：第 3 种插管形式图 过渡段 进汽插管 外 缸

不同之处： 在 P91 插管上设计加装了一段 P22 材质的过渡段，与缸体 对接时成为 P22 同种钢焊接，仍采用镍基合金堆焊、整体镍 基合金材料填充的焊接工艺。适用于额定蒸汽温度 ≤566 ℃的 超临界机组。 同时，焊接方法改为自动焊，易于控制焊接规范。

5.2 检查情况 ： 1 ）第 1 种类型的共 4 台机组，检查时发现焊缝表面普遍存在 无规律分布小裂纹，金相检验发现焊缝组织晶粒粗大，并存 在微观裂纹。 2 ）第 2 种类型的共 2 台机组、第 3 种类型的共 4 台机组，检查 均未发现表面裂纹，金相组织也正常。

6. 结束语： 焊接工艺控制不当造成了高中进汽插管焊缝的开裂。应重 视高中进汽插管焊缝的监督检查，首先要查明焊缝的结构形 式和焊接工艺，同时在机组检修期间，要做好焊缝的金属检 验工作（主要是金相组织检查和表面无损检查），对发现有 问题的应查明原因并进行处理，保证设备的安全运行。

谢谢！