异种钢焊口失效方式分析

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1、异种钢焊口失效方式分析西安热工研究院技术监督与检修管理中心技术监督研究所马剑民邮编：710032异种钢焊缝失效是与所选用的填充金属、运行时间、温度、温度的周期变化以及管系应力、焊接质量冇关。异种钢焊接接头由于存在材料成分、机械性能与物理性能上的差异，特别是铁素体钢与奥氏体不锈钢的导热性及线膨胀系数相差很大（奥氏体不锈钢的线膨胀系数约比铁素体钢大30%,导热系数约为铁素体钢的75%左右），因此在运行状态异种钢接头受到三种力的作用：（1）由于两种金屈的不同热膨胀系数而产生的“自载荷”；（2）由于管了口重、管内蒸汽压力以及管壁温度梯

2、度而产生的的“主载荷”；（3）出于管卡等不正常，妨碍管束内热膨胀而产生的“次载荷”。这三种类型的荷载共同施加于焊区，形成作用于焊区的总应力。总应力越高、作用时间越长，则越有可能发生早期失效，其寿命t短直接与上述毎一种类型的荷载所造成的损坏程度冇关。早期采用铁素体类填充金屈，导致焊缝熔化区为最薄弱环节，断裂通常发生在环形焊缝上，而非低合金钢的热影响区，由于使用寿命短而放弃，后经历了选用用锯稳定的奥氏体不锈钢焊系和银基焊系两个阶段，相关断裂的模式通常有以下三类：（1）疲劳一蠕变交互作用断裂模式当选用奥氏体钢焊系，英寿命约在5万小时

3、左右。由于化学成分的差异，异种钢接头处不可避免的存在合金元素再分配现象，其中碳的迁移从相对含量较高的铁素体钢一侧向奥氏体钢迁移，结果沿熔合线铁索体钢一侧出现脱碳区，熔合线奥氏体钢焊缝侧出现增碳区，使钢的蠕变强度降低；同吋由于奥氏体钢焊条的热膨胀系数比低合金钢大（奥氏体不锈钢的线膨胀系数约比铁素体钢大30〜40%,因而裂纹的扩展还受到疲劳的作用，最终失效呈现低合金钢侧的疲劳蠕变交互作用下的断裂模式。下图为异种钢接头疲劳蠕变交互作用所致开裂示意图。（2）蠕变断裂模式当选用镰基焊系时，如Incone182焊丝和Incone1182焊

4、条等，使用寿命可达16万小时。由于傑基焊系的热物理性能介于奥氏体不锈钢和铁索体低合金钢之间，能起到很好的过渡作用，银基填充金属在20〜600°C的范围内线膨胀系数为15X10VC；TP321H在20〜649°C为18.5X10_6/°C,TP304H在20〜649°C为18.8X10'6/°C；12Cr2Mo钢在20〜600°C为14X10VC；15CrMo钢在0〜600°C为14.3XloVC0膨胀系数匹配较好，降低了焊缝界面处的热循环应力；同时由于以镰为基，高含量的鎳降低了铁素体钢碳元索向焊缝的迁移倾向，防止铁索体钢一•侧

5、脱碳层的出现。根据国内外人量资料报道和长期运行经验，至今选用银基焊系仍是一种较成功的选择。难以避免地，由于在高温下长期使用，合金元素扩散的存在，使得在低合金钢很靠近熔合线的热影响区内形成碳化物，其进一步长大导致在熔合线附近形成网状碳化物链，在热应力的作用下，极易诱导蠕变孔洞的形核与长大，最终呈现蠕变方式失效，见卜•面示意图。（3）氧化疲劳断裂模式无论选用何种焊系，都会产生在高的二次应力下的氧化疲劳断裂，见下面示意图。有文献报道，采用镰基焊系作为填充金属的异种钢接头，通常在使用十年后，由于择优氧化的结果，会在沿珠光体钢近熔合线部

6、位表面生成氧化缺口。因膨胀系数差异而导致的附加热应力主要分布在低合金钢与焊缝的界面附近，当接头温度由o°c上升到650°C时，峰值应力可达60MPa左右，已超过管子工作应力，这种附加热应力势必导致蠕变速度加快，而每一次启停使得接头承受一次疲劳载荷。劳断裂界种钢接头氧化疲劳断裂模式示意图由于彩响异种钢失效的因素较多，除上述三种典型失效方式外，尚冇因焊接缺陷以及其它因素导致的开裂，或者几种因素共同作用下的失效。对于银基填充材料，在上述力的作用下，熔合线附近碳化物的形成，蠕变孔洞的产生，是异种钢接头通常的失效方式。在接头外壁低合金钢

7、熔合线处微观缺口的存在,是导致杲种钢接头早期失效的重要原因。低合金钢侧焊缝界而氧化缺口的存在和界而附近碳化物的密集排列以及细小孔洞的生成，均说明此部位运行中承受了较大的应力。首先蠕变滑移破坏了金属表面氧化膜的连续性，同吋碳化物的析出，也使得熔合线附近贫钻，降低了其抗氧化性，高温运行屮该部位表面优先氧化。同吋界面和晶界碳化物的析出破坏了显微组织的连续性,构成环境中的氧向接头内部扩散的快速通道。氧化后形成的氧化物比容增大，在界面和品界形成“楔子效应”，使界而内应力增大，蠕变加速。蠕变孔洞的形成，又促进氧化向内部扩展。氧化缺口使接头

8、的实际承载截面减少，并在缺口根部形成应力集中。由于在熔合线两侧的强度存在差异，强度的不匹配结果使得在应力作用下的接头不能产生均匀应变，变形将首先集屮在低强度的低合金钢侧近熔合线区域，这将进一步加大由儿何形状不连续产生的应力集中，最终导致裂纹沿熔合线扩展。