在大型机组中，不可避免地存在异种钢焊接。由于奥氏体钢和铁素体钢在合金成分、力学性能、热膨胀系数、组织结构等方面存在较大差异，使奥氏体-铁素体异种钢焊接接头的焊接性也存在一些较为特殊的问题，如：在高温下或高温长期服役后，接头区的力学性能劣化[1]；由于焊接稀释作用在焊缝中形成一个韧性较低、脆硬性较高的马氏体熔合区，影响了焊接接头的可靠性[2]；碳的迁移造成焊缝的早期失效[3]；焊接和焊后热处理工艺不当导致该异种钢焊接接头开裂失效[4-5]等。异种钢焊接接头的应力状态比较复杂，而且这种应力不能通过焊后热处理或高温长期运行加以消除，甚至有些应力是在高温运行过程中产生的。蔡文河等[6]对运行4×104 h出现失效的TP347H与12Cr1MoV异种钢焊接接头进行研究发现，早期失效是由于熔合线附近区域的应力水平较高，在交变应力作用下发生了早期低周疲劳断裂。随着近几年超临界及超超临界机组的大面积投运，以及奥氏体-铁素体和奥氏体-马氏体异种钢焊口的大量使用，对异种钢焊接接头开裂原因进行深入分析，并研究出一种切实可行的预防和控制措施显得尤为重要。

某电厂超临界机组于1998年11月9日投运，至2015年2月3日锅炉二级屏式过热器管(以下简称二级屏过)发生泄漏，停机时累计运行104 555 h。二级屏过屏间距576 mm，每屏14根管道，管间距38 mm。泄漏位置为大包内出口段炉后第11屏，炉乙侧第3根的异种钢变径焊接接头，同时泄漏的蒸汽将相邻第2根、第4根管吹损。泄漏时管屏蒸汽出口温度为545 ℃，压力为23.5 MPa。泄漏口上部材料为12Cr1MoVG珠光体型耐热钢，规格为φ42 mm×11 mm，下部材料为06Cr18Ni11Ti奥氏体型耐热钢，规格为φ32 mm×6 mm,二级屏过现场形貌如图1所示。为了查明锅炉受热面异种钢焊口开裂的原因，笔者采用宏观观察、金相检验、硬度测试、扫描电镜观察及能谱分析等方法分析了开裂原因，并提出了改进建议。目前针对异种钢焊口常用的检测技术有射线检测和渗透检测两种，但该两种检测技术受空间位置，以及相关配合工作量大的影响，现场实施起来均较为困难,同时对于如何在早期就发现异种钢焊口的开裂倾向，目前尚无有效的检测手段。为此，笔者在对该异种钢焊口开裂原因进行分析的基础上，提出了一种可较有效的应用于异种钢焊口早期开裂的预防和检测技术。

在控制领域中，存在许多的模糊现象，要处理这些现象需要用到模糊数学的方法，实现从手动到自控的技术升级，这样就形成了模糊系统理论[2]。在许多问题中都可以用模糊控制来解决，例如水位的控制问题，这是一个传统的人工控制问题，运用模糊控制器就可以实现自动控制。模糊控制主要实现对控制量的控制，控制量的变化对模糊控制有着重要影响[3]。常见的模糊控制变量分为2类：一类是输入变量，另一类是输出变量。

  

图1 二级屏过泄漏部位现场形貌Fig.1 Worksite morphology of the leakage part of the secondary platen superheater:a) overall morphology; b) local morphology; c) leakage site morphology

1 理化检验

1.1 宏观观察

泄漏管样的宏观形貌如图2所示，可见泄漏管样在焊接接头开裂处有明显弯折现象，接头上管样和下管样轴线夹角约3°。

  

图2 泄漏管样弯折形貌Fig.2 Buckling morphology of the leakage tube:a) the ruler being on side of the tube;b) the ruler being on the other side of the tube

泄漏管样开裂部位及裂口尺寸测量结果和宏观形貌如图3所示，可见开裂部位位于异种钢接头靠近12Cr1MoVG钢侧，裂口以炉前-后侧为中心线沿管道周向向两侧扩展，外壁裂口尖端已扩展至靠近12Cr1MoVG钢侧焊缝内；外壁裂口弧长约84 mm(管子外壁周长约100 mm)，即长约4/5圆周，裂口明显张开，中部张口程度最大(1.72 mm)，裂口在管道外壁的张开程度明显大于内壁的。打开裂口后，断口表面较齐整，周围无明显塑性变形；断口呈灰黑色，与管道内壁氧化层颜色接近，可见蒸汽吹损痕迹。

对金相试样按照GB/T 4340.1-2009[10]在HVS-50型维氏硬度计上进行维氏硬度测试，试验载荷98 N，加载时间10 s，测试结果见表2。DL/T 438-2016规定12Cr1MoVG钢新材料的硬度为135～195 HB，按BS EN ISO 18265：2013[11]转换成维氏硬度为143～205 HV。由表2可见，金相试样母材和热影响区的硬度均符合标准规定。

  

图3 泄漏管样开裂部位及开裂断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of the cracking part and fracture of the leakage tube:a) measurement results of crack position and size;b) macro morphology of the fracture;c) enlarged morphology of the fracture;d) macro morphology of one side of the fracture;e) macro morphology of the other side of the fracture

1.2 化学成分分析

割取泄漏管样(编号为1号)和1个对比管样(出口段炉后数第11屏，炉乙侧第14根，无弯管，编号为2号)，采用Oxford INCA能谱分析仪对基体和焊缝分别进行化学成分分析。表1是两段管样两侧母材和焊缝金属的化学成分分析结果，由表1中结果看出，两段管样12Cr1MoVG钢侧和06Cr18Ni12Ti钢侧母材主要合金元素含量符合或接近GB 5310-2008[7]和GB/T 1221-2007[8]的规定，考虑到焊接时焊缝两侧金属的稀释，两段管样焊缝所用焊材为镍基合金。

 

表1 母材及焊缝化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Chemical composition analysis results of the base material and weld seam (mass fraction) %

  

管样编号测试位置CSiTiCrMnFeNiMoV12Cr1MoVG钢侧母材0．100．42-1．110．6596．80-0．730．201焊缝金属0．120．710．355．945．0948．2735．144．37-06Cr18Ni11Ti钢侧母材0．230．850．5717．841．3367．2211．430．52-12Cr1MoVG钢侧母材0．120．56-0．990．6297．01-0．460．232焊缝金属0．250．570．405．624．3652．4531．764．60-06Cr18Ni11Ti钢侧母材0．211．000．4618．121．2066．2411．910．86-GB5310-200812Cr1MoVG钢0．08～0．150．17～0．37-0．90～1．200．40～0．70--0．25～0．350．15～0．30GB/T1221-200706Cr18Ni11Ti钢≤0．08≤1．000．4～0．7017．0～19．0≤2．00-9．0～12．0--

1.3 金相检验

  

图4 1号管样1-1号显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of No.1-1 sample:a) micro cracks on the inner wall of weld metal;b) micro cracks on the outer wall of weld metal

由以上结果可知：方案1拦沙堤堤顶高程为9.0m，为出水堤，可以完全阻挡拦沙堤外侧泥沙进入航道内，但是堤头位置在波浪破碎区内，导致破碎区范围内的航道段仍存在较大淤积，若要加长拦沙堤，工程造价将大大提高。因此，方案2在加长拦沙堤的基础上，将拦沙堤做成潜堤的形式。主要是考虑粉沙质海岸悬沙的垂线分布特点，底部存在高浓度含沙水体。将拦沙堤做成潜堤，不但能有效防止底部高浓度含沙水体进入航道内落淤，还能很大程度上节约成本，控制造价。从以上两个方案对比，可看出，对拦沙堤加长，航道内泥沙回淤可以得到有效控制。

  

图5 2号管样2-1号显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of No.2-1 sample:a) micro cracks on the inner wall of weld metal;b) micro cracks on the outer wall of weld metal

对1号管样断口形貌采用FEI QUANTA 400扫描电子显微镜(SEM)进行观察，结果如图7和图8所示。可见:断口清洗前，除两侧尖端附近断口无蒸汽吹损痕迹外，其他区域断口均存在蒸汽吹损痕迹，表面覆盖一层灰黑色氧化物;断口清洗后，未被吹损的两侧尖端附近断口存在疲劳弧线。

泄漏管样焊缝外壁存在多条垂直于焊缝表面扩展的略张口的穿晶裂纹，最深约0.10 mm，但作为对比的2号管样却无；根据泄漏管样焊缝外壁裂纹形态判断裂纹性质为疲劳裂纹。开裂管样带有2个弯管，而无弯管的2号管样异种钢接头部位未见开裂迹象。整个断口仅在两侧尖端附近无蒸汽吹损痕迹，该区域存在疲劳弧线，未见疲劳条带；其他断口存在蒸汽吹损痕迹，表面覆盖一层灰黑色氧化物，经能谱分析未见腐蚀性元素。根据以上断裂的基本特征，说明管样的开裂模式为低周疲劳开裂。

  

图6 断口处显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of the fracture:a) No.1-2; b) No.1-3

1.4 扫描电镜分析

在1号管样的12Cr1MoV钢侧断口中部和断口一侧尖端各制取1个纵向断口金相试样，编号依次为1-2和1-3，其显微组织形貌见图6。可见与1-1号显微组织熔合线和热影响区比对，断口中部开裂位置为熔合线或紧邻熔合线的热影响区，断口尖端为紧邻熔合线的热影响区。断口中部和断口尖端表面均覆盖一层氧化物，但断口中部表面氧化物厚度明显厚于尖端处，进一步表明了中部断口开裂时间先于尖端。

取上述两段管样的异种钢焊接接头部位(1号管样取未开裂部位)制取纵向金相试样，编号分别为1-1和2-1，在OLYMPUS GX71光学显微镜下进行显微组织观察，结果见图4和图5。可见两段管样焊接接头附近母材内、外壁均存在1～2个晶粒深的沿晶微裂纹，在DL/T 438-2016[9]中“晶界氧化裂纹深度超过5个晶粒或晶界出现蠕变裂纹”规定范围内；1号管样焊缝金属外壁存在多条穿晶垂直于焊缝金属表面的微裂纹，最深0.10 mm，裂纹略有张口，根据裂纹形态判断为疲劳裂纹。

  

图7 1号管样断口清洗前扫描电镜形貌Fig.7 SEM morphology of No.1 tube sample before cleaning:a) one side of the tip; b) the other side of the tip

  

图8 1号管样断口清洗后扫描电镜形貌Fig.8 SEM morphology of No.1 tube sample after cleaning:a) one side of the tip; b) the other side of the tip

1.5 硬度测试

They built a highway leading to the mountains.（他们修建了一条通往山里的公路。）

1.6 能谱分析

采用Oxford INCA能谱分析仪对断口成分进行分析，测试位置见图9，结果见表3。由表中数据可知，断口表面灰黑色物质主要为铁的氧化物，未见腐蚀性元素。

 

表2 硬度测试结果Tab.2 Hardness test results HV

  

试样编号12Cr1MoVG钢侧1(热影响区)2(热影响区)3(母材)4(母材)1⁃11551631701681⁃21581531521551⁃31631661671602⁃1144147153150

2 分析与讨论

2.1 原因分析与讨论

“作文难，难文”这是小学语文教师的深切体会。老师教的筋疲力尽，学生写的痛不欲生，这是小学作文教学的常态。要想孩子们对作文产生浓厚的兴趣，消除畏难心理。新课标中所指出的“中年级学生要留心周围事物，乐于书面表达，能不拘形式地写下见闻、感受和想象”，兴趣是最好的老师，在小学三年级学生作文的起步阶段，教师对学生兴趣的培养比对作文方法的教学更重要。如何培养学生对作文的热情，带领孩子们开启作文的兴趣之门呢？

  

图9 断口的能谱分析位置Fig.9 Spectrum test position of the fracture:a) the middle of the fracture; b) the ends of the fracture

 

表3 断口能谱分析结果(质量分数)Tab.3 Energy spectrum analysis results of the fracture (mass fraction) %

  

测试部位测试位置OAlSiCaCrMnFeNiZnMo133．910．940．981．890．960．6255．86-0．524．32断口中部228．800．280．350．230．751．1365．991．630．660．20319．36-----80．64---421．11---0．380．7177．13--0．67断口尖端525．83---0．360．6571．860．35-0．95624．38-0．66-0．721．2469．631．08-2．29

铁磁材料的表面应力集中或疲劳损伤将使材料在该区域的磁畴取向发生改变，在地磁环境中表现为局部的磁场异常，形成所谓的“漏磁场”，基于以上原理，采用TSC-2M数字显示方式检测仪和TSC-2M-8型8通道应力集中检测仪对二级屏式过热器异种钢接头进行磁记忆检测，进而确定部件的应力集中或损伤情况[12]。

  

图10 二级屏过大包内管道在运行期间的膨胀示意图Fig.10 Expansion schematic diagram during operation of tube in the large box of the secondary platen superheater

2.2 金属磁记忆检测

由于二级屏过14根管道中有一半带有2个弯管，在锅炉启动运行期间，带弯管管道的膨胀量大于无弯管管道的，使得同屏带弯管管道和不带弯管管道间的膨胀变形不协调，在带弯管管道的异种钢接头部位存在一定由热胀应力引起的附加轴向拉应力，如图10所示。该应力随着锅炉启停等工况变化在异种钢接头薄弱部位12Cr1MoV钢侧熔合线或紧邻熔合线的热影响区部位产生热疲劳损伤，损伤累积到一定程度使管道萌生疲劳裂纹，直至管道开裂泄漏。可见引起管道发生低周疲劳开裂的原因为二级屏过大包内同屏钢管间的膨胀变形不协调。

对二级屏式过热器出口侧炉后向炉前数第10屏、11屏(泄漏部位)、12屏异种钢焊口(每屏15个焊口)进行磁记忆检测，检测位置见图11。

现今，裕固族开展良好的传统项目有欢庆节日时开展的马上运动，有深受裕固族人民喜爱的拉棍、拔棍、顶杠子等，还有少数民族传统体育运动会上的摔跤、赛马、射弩、拔河、拉爬牛等诸多比赛项目。这些项目凭借着着自身的项目特点在当今得到了较为健康的发展。但随着社会的飞速发展和现代娱乐项目的不断丰富，裕固族的一些传统体育项目（如：赛骆驼等）已渐渐失宠甚至失传。现代体育竞赛的快速发展，也无情地冲垮了传统体育与竞技的纺线，使它们濒临失传和消亡。

  

图11 二级屏式过热器磁记忆检测位置示意图Fig.11 Schematic diagram of magnetic memory testing position

经检测发现，二级屏式过热器出口侧泄漏部位整屏(炉后数第11屏)异种钢焊口应力集中情况较为严重，其中从乙侧向甲侧数第6根异种钢焊口最大应力集中区实测磁场强度达850 A·m-1，但未发现异种钢铁素体侧焊缝熔合区与热影响区有损伤数据信号，第2,4,8,10根管该位置最大应力集中区磁场强度均超过450 A·m-1，其余检测部位磁场强度较低。鉴于目前磁记忆检测尚无相应的评定标准，为降低最大应力集中区的安全隐患，将从乙侧向甲侧数第6根异种钢短管进行了更换，更换后该管道异种钢焊口最大应力集区实测磁场强度明显下降至50 A·m-1以下，该管屏其他管道异种钢焊口最大应力集中区实测磁场强度均明显下降到350 A·m-1以下。由此可判断管屏异种钢焊口承载较大的结构应力。

3 结论及建议

通过对二级屏式过热器出口侧泄漏焊口开裂原因进行分析，可知焊口的开裂模式为低周疲劳开裂，引起管道发生低周疲劳开裂的原因为二级屏式过热器大包内同屏管道间的膨胀变形不协调。根据磁记忆检测结果，二级屏式过热器部分异种钢焊口铁素体熔合区存在较高的应力集中水平，将应力集中水平较高的异种钢短管更换后进行二次磁记忆检测，异种钢焊口的应力均有显著的下降，提高了设备的安全可靠性。在随后2 a(年)的跟踪过程中，该电厂锅炉受热面异种钢焊口未再发生过开裂。但查找引起管道膨胀不协调进而导致应力集中的原因，仍需做进一步的研究。

建议在检修中，加强对异种钢焊口的探伤检查，查找引起管道膨胀不协调进而导致应力集中的原因。定期对异种钢焊口进行磁记忆检测，对应力集中程度较高的焊口进行无损检测复查，发现问题及时进行处理。

参考文献：

[1] 潘春旭, 孙国正. 异种钢焊接性的研究现状和进展[J]. 水利电力机械,1998,6(3):42-46.

[2] LUNDIN C D. Dissimilar metal welds-Transition joints literature review[J]. Welding Research Supplement,1982,61(2):58-63.

[3] FABER G, GOOCH T G. Welded joints between stainless and low alloy steels: Current position[J]. Welding in the World,1982,20(5):87-98.

[4] 王淦刚,刘天佐,尚建路,等. T91/TP347HFG异种钢焊接接头裂纹原因分析[J]. 失效分析与预防,2015,10(1):51-56.

[5] 王炳英,刘伟强. 热采锅炉炉管异种钢焊接接头失效原因分析[J]. 理化检验(物理分册),2007,43(1):32-34.

[6] 蔡文河,赵卫东,杨富,等. TP347H与12Cr1MoV异种钢焊接接头早期失效研究[J]. 中国电力,2009,42(4):22-24.

[7] GB 5310-2008 高压锅炉用无缝钢管[S].

[8] GB/T 1221-2007 耐热钢棒[S].

[9] DL/T 438-2016 火力发电厂金属技术监督规程[S].

[10] GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法[S].

[11] BS EN ISO 18265：2013 金属材料 硬度值的换算[S].

[12] 莫乾凯,杜好阳,张春雷. 异种钢焊接接头的金属磁记忆检测技术[J]. 吉林电力,2003,31(2):4-6.