ASME CODE CASE 2115-1与 HK40焊接裂纹及修复

ASME CODE CASE 2115-1 与HK40异种钢焊接裂纹

的产生及消除

内容提要：

2006年笔者在监造某CFB(循环流化床)锅炉项目的过程中，发现末级过热器CODE CASE2115-1蛇型管排与HK40搭扣焊接角焊缝出现了穿透性裂纹，进一步PT（着色）检查后发现多数焊道表面存在裂纹，采用更严格的工艺也无法解决，经过与厂家一道进行分析，修改了焊接工艺，采用了合格的原材料，对焊件全面返修，消除了焊接裂纹，避免了不合格产品出厂。

1． 情况简介

2006年笔者在某锅炉厂监造一台超高压循环流化床锅炉。其中的三级和末级过热器蛇型管排由日本住友开发的新型奥氏体不锈耐热钢无缝钢管（材料为ASME标准 CODE CASE 2115-1，φ44.8×7.5）与铸造奥氏体不锈钢搭扣（HK40，δ=10mm）之间进行角焊缝焊接。焊接方法为焊条电弧焊，焊材为美国进口的E310-16焊条，焊材经过验收合格；焊接工艺评定已经合格，并且得到客户批准。焊工为经过ASME标准考试合格的焊工,母材为客户方面提供,并且提供了材质合格证。

在焊接过程中经常在包角处出现收弧裂纹，厂家在对裂纹进行打磨、补焊后，又着色检验，确认返修合格之后按照正常程序进行了稳定化热处理。在稳定化热处理之后按照程序对该蛇型管排的搭扣焊缝进行了100%PT着色检验，结果又发现了多处表面裂纹，均为纵向裂纹，主要分布于包角部位及收弧部位。厂家对裂纹进行了打磨清理后进行了补焊，至此完成了该蛇型管排的焊接工作，开始将管排安装至过热器模块。 1．1发现问题：

该厂某QC检查人员于日常检查中发现堆放的蛇型管排中有一个搭扣已经发生通贯性裂纹，见图片（一）。

裂纹端部位于 角焊缝热影响区

图一、搭扣角焊缝出现裂纹

厂家把此问题作为不合格项进行处理，最后意见是切除这个发生裂纹的搭扣，更换一个新搭扣，焊接之后再重新进行稳定化处理。

考虑到该搭扣的裂纹端部位于位于角焊缝的热影响区，笔者提出应该检查其余的搭扣焊缝，增加检测的比例。

在增加的15片管排进行着色检验之后，其中14片发现裂纹（纵向）。因此厂家100%检查所有管排上搭扣的焊缝，结果发现几乎每一片蛇型管排上的搭扣角焊缝均有裂纹发生。 1．2 多次返修并查找裂纹产生的原因 1．2．1 该厂返修工艺简述如下：

打磨去除所有的裂纹，打磨裂纹之后焊缝形状平滑过渡的区域不需要修补，其余

部分进行补焊（补焊工艺与原工艺相同）。在补焊完又进行100%着色检验，合格之后进行1100℃-1150℃温度下“热矫正”释放应力。最后再次100%着色检查热矫正区域。

为了保证返修质量，厂家对返修焊工进行了专门有针对性的培训，要求特别注意

起弧、收弧处的技术，增加收弧处的焊肉厚度，和采用小线能量、小摆动、快焊速、每一层的焊缝接头错开、严格控制层间温度小于100℃等细节。 1．2．2 做试验检验裂纹并复验焊材

将3片管排有裂纹的地方进行打磨，不做返修，在100%着色检验之后，等待

24小时之后再次进行着色检验，结果再次发现裂纹。 另外厂家对使用的E310-16焊材进行了复验，结果表明焊接材料合格。 1．2．3 返修中发现裂纹，厂家更换返修工艺

由于厂家在返修过程中，使用E310-16焊条进行返修焊接，发现依然有裂纹产

生，所以决定改为使用抗裂性良好的镍基焊材（焊条ENiCrFe-2或焊丝ERNiCr-3）进行补焊，相应的焊接工艺评定也已经得到客户方面的确认。 1．2．4 返修后再次抽查又发现裂纹

根据2.2的实验结果，笔者怀疑有裂纹扩展到表面的可能性，再次对返修完毕经100%PT着色检验合格，且放置48小时以上的蛇型管排再次进行PT着色检验。

检验结果显示，很多搭扣角焊缝仍然纵向裂纹，个别搭扣表面出现裂纹，仅一次抽查3排最多发现38处搭扣角焊缝裂纹，至此返修失败。 裂纹见图二、图三：

裂纹位于端部

图二 返修后放置48小时后出现的裂纹

裂纹最大长度15mm，焊道中央，方向均纵向。

图三 返修后放置48小时后出现的裂纹

2．对相关材料的介绍和裂纹产生原因的分析

2．1 CODE CASE 2115-1无缝钢管和HK40搭扣 以及焊材化学成分及力学性能简介 2．1．1 CODE CASE 2115-1无缝钢管成分及力学性能 该材料为奥氏体不锈钢无缝管（25Cr-20Ni-Cb-N），为日本住友开发，牌号“HR3C”，并以“TP310HCbN”级别号列入2001版“SA-213/SA213M标准”。 化学成分见表一：力学性能见表二：

表一：CODE CASE 2115-1无缝钢管化学成分 元素 成分% C 0．04 -0．10 Mn P S Si Ni 17．00 -23．00 Cr 24．00 Nb 0．20 N 0．15 -0．35 ≤2．00 ≤0．030 ≤0．030 ≤0．75 -26．00 -0．60 表二：CODE CASE 2115-1无缝钢管力学性能 项目 抗拉强度，≥MPa 屈服强度，≥MPa 50mm，标距伸长率，≥% 数值 655．5 MPa 296．7 MPa 30%

2．1．2 HK40搭扣化学成分及力学性能

该材料为美国ASTM标准中A351/A351M的奥氏体不锈钢铸造件，化学成分见表三：力学性能见表四：

表三：HK40搭扣化学成分 元素 成分% C 0．35 -0．45 Mn P S Si Ni 19．00 -22．00 Cr 23．00 Mo ≤≤1．50 ≤0．040 ≤0．040 ≤1．75 -27．00 0．50 表四：HK40搭扣力学性能 项目 抗拉强度，≥MPa 屈服强度，≥MPa 50mm，标距伸长率，≥% 数值 425 MPa 240 MPa 10．0%

2．1．3 焊条E310-16化学成分及力学性能

焊条E310-16是符合AWS A5．4标准的奥氏体不锈钢焊条，未经稀释的焊缝金属化学成分要求见表五，力学性能见表六： 表五：焊条E310-16化学成分 元素 成分% C 0．08 -0．20 Mn 0．75 P 0．03 S 0．03 Si 0．75 Ni 20．0 -22．5 Cr 25．0 -28．0 Mo 0．75 Cu 0．75 表六：焊条E310-16未经稀释的焊缝金属力学性能 项目 抗拉强度，≥MPa 50mm，标距伸长率，≥% 数值 550 MPa 30 %

2．1．4 焊丝ER NiCr-3化学成分及力学性能

焊丝ER NiCr-3是符合AWS A5．14/A5．14M标准的镍基焊丝，其化学成分见表七，力学性能见表八：

表七 焊丝ER NiCr-3化学成分 元素 成分% C 0．10 Mn 2．5 -3．5 Fe 3．0 P S Si Ni ≥Cr 18．0 Mo Cu Ti Nb 其它 2.0 -3.0 0.50 0．03 0．015 0．50 0．75 0．50 0.75 67.0 -22．0 表八：焊丝ER NiCr-3未经稀释的焊缝金属力学性能 项目 抗拉强度，≥MPa 50mm，标距伸长率，≥% 数值 550 MPa 30 % (参考)

2．1．5．焊条E NiCrFe-2化学成分及力学性能

焊条E NiCrFe-2是符合AWS A5．11标准的镍基焊条，未经稀释的焊缝金属化学成分见表九，力学性能见表十：

表九 焊条E NiCrFe-2化学成分 元素 成分% C 0．10 Mn Fe P S Si Ni ≥Cr 13．0 Mo Cu 0.5 -2.5 0．50 Ti 0.65 Nb+ Al Ta 0.5 0.20 -0.80 其它 0.50 1．0- 12．0 3．5 0．03 0．02 0．75 62.0 -17．0 -1.65 -3.0 表十：焊条E NiCrFe-2未经稀释的焊缝金属力学性能 项目 抗拉强度，≥MPa 50mm，标距伸长率，≥%

2．2 对裂纹成因的分析

对裂纹成因分析从以下三个角度进行，一为对两种母材分析，二为对焊材分析，三为对裂纹形态分析，四、进一步分析

数值 550 MPa 30 % 2．2．1对母材的分析

2．2．1．1 25-20型不锈钢的特性

CODE CASE 2115-1 和HK40 合金成分中Cr、Ni含量上看属于25-20型的典型锅炉用耐热钢，金相组织为单一奥氏体，它无磁性，具有高的热强性和优良的耐腐蚀性，焊接的主要问题是它们具有较强的热裂纹倾向。

有资料显示热裂纹常常起源于焊接缺陷，在单一奥氏体不锈钢焊接中如果不能有效避免焊接缺陷，即使焊后对这些缺陷进行修补也不能消除微裂纹，甚至可能会引起新的热裂纹。 但是奥氏体不锈钢焊接性优于其它不锈钢，在任何温度都不会发现相变，而且对氢脆不敏感，在焊态下奥氏体不锈钢接头也有较好的塑性和韧性，延迟裂纹通常不会 产生。

2．2．1．2 其他元素的影响

CODE CASE 2115-1钢中添加的微量元素Nb，可以使碳化物稳定，增加热强性，对低熔点相形成的影响也很重要，容易在焊缝金属和热影响区中引起裂纹，来自国外的资料说“大量经验数据表明 全奥氏体焊缝，铌对热裂纹有不利影响”。 HK40为奥氏体不锈钢铸件的含碳量较高（0.35-0.45）目的是保证浇铸时铁水有足够的流动性，显然不利于焊接，作为铸件要保持足够的流动性，但是随着含碳量的增高，可焊性变差。但是作为奥氏体不锈钢，在正常条件下焊接应该不会产生延迟裂纹。

2．2．3 结论：考虑到焊缝为单一奥氏体，以及CODE CASE 2115-1钢中添加的合金元素铌对热裂纹有不利影响，并且铸件中含碳量较高，判断该组合的焊缝热裂倾向较高。

2．2．2 对焊接材料分析

2．2．2．1． 25-20型奥氏体焊接材料

对于本项目中CODE CASE 2115-1无缝钢管与HK40搭扣之间的角焊缝不是受压件焊缝，厂家对该材料进行焊接工艺评定时做了宏观金相实验,用来支持角焊缝的焊接工作,

厂家最初使用的E310-16焊条焊接材料，焊道熔敷金属属于单一奥氏体，根据2.2节的分析，不利于控制热裂纹。

并且E310-16，其高温性能不及CODE CASE 2115-1，因为后者是25-20型奥氏体不锈钢的改进型新钢种，后者的专用焊材为日本住友公司开发的HR3C，E310-16焊道熔敷金属属于单一奥氏体不锈钢，其成分中没有针对性解决25-20型奥氏体不锈钢添加的微量元素Nb和碳之后热裂性增强的问题。

结论：E310-16焊条不适合焊接CODE CASE 2115-1与HK40之间的焊缝，虽然符合ASME 规范的要求, 但是实践证明, 仅仅符合规范还是不够的,因为使用该焊材实践中无法解决热裂纹多发的问题。

2．2．2．2 镍基焊接材料

ASME CODE CASE中明确规定，对于CODE CASE 2115-1无缝钢管材料的受压件对接环缝，必须使用ENiCrFe-2或者ERNiCr-3来焊接。

ASME规范中并未强制使用镍基焊接材料进行非受压件的角焊缝焊接，但是从本事件的热裂纹多发来分析，使用镍基焊接材料有以下两种好处： -避免得到单一奥氏体焊缝；

-镍基焊接材料的熔敷金属具有更好的抗裂性。

结论：采用镍基焊材进行焊接CODE CASE 2115-1与HK40之间的角焊缝更适合。 2．2．3 从裂纹形态分析

2．2．3．1针对现场出现的裂纹自始至终均为纵向来看，尤其是焊接后立即会出现的少量纵向裂纹，据此可以判断现场发现的裂纹应该属于热裂纹；

2．2．3．2由于现场的裂纹均是在着色检验合格之后出现的，说明裂纹存在扩展现象。根据2.2.1.1的分析,该表面裂纹有可能是焊工操作不当造成焊接缺陷并进一步引发热裂纹。. 2．2．3．4 从裂纹出现数量很多来判断，还有可能是实际材料的化学成分方面出现问题造成微裂纹在低应力下扩展或者在焊接返修之后扩展.。. 2．2．4 进一步分析

厂家决定对所有使用的母材及焊材进行化学成分复验，结果表明其它材料均合格，搭扣的成分严重超标。见表十二

表十二：HK40 搭扣成分化验结果一例： 成分 含量 C 0．81 Mn 1．16 Si 1．35 P 0．024 S 0．0081 Ni 19．93 Cr 20．71 化验结果显示，含碳量超高，含Cr量偏低，含碳量超高至0．81必然极大的降低母材的塑性和韧性，并且在焊接冶金过程中进入熔池导致焊道中尤其是热影响区中含碳量超过正常数值，使焊缝及热影响区塑性和韧性大幅度下降，从而使焊缝在低应力状况下发生裂纹扩展。

3．提出解决方案并实施

通过以上分析，制定解决方案从三个方面进行：

3．1 解决搭扣材料不合格：切除所有HK40搭扣，并更换全部搭扣。 3．2提高焊缝金属的抗裂性：改用镍基焊材（ER NiCr-3）进行焊接。

3．3 避免焊接缺陷的产生，减少引发热裂纹的因素：

3．3．1 选择熟练的焊工并进行严格的专门培训，要求特别注意起弧、收弧处避免裂纹的技术，小热输入、小电流、快焊速、每一层的焊缝接头错开、严格控制层间温度小于100℃等措施。

3．3．2 规定重新焊接HK40搭扣使用钨极氩弧焊工艺进行焊接，因为使用钨极氩弧焊

比使用焊条电弧焊更容易获得优质接头。

厂家对第二批重新更换的搭扣母材进行了化学成分的分析，结果表明搭扣的成分符合规范要求。

接着厂家按照制定的解决方案焊接完毕，进行了100%PT着色检验，结果合格。

然后按照最初的程序在焊接之后进行稳定化热处理，热处理之后，对搭扣焊缝再次进行100%PT着色检验，未发现裂纹。

至此CODE CASE 2115-1无缝钢管与铸造奥氏体不锈钢HK40搭扣之间的焊接裂纹问题成功解决。

4 结论：

从事技术质量工作中要细心，对于一些看似偶然的缺陷不应轻易放过，本次事件的开始只是必须使用一个搭扣的断裂，由于考虑到裂纹产生的部位与焊接有关，对其他焊缝进行了必要的追加抽查，从而发现了质量问题，并对产生的质量问题进行了分析和研究，并提出了切实有效的解决方法，最终成功的解决了新型奥氏体不锈耐热钢问题。

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