680 MW超超臨界機組鍋爐主蒸汽管道裂紋處理及預防

魯忠科

(華能威海電廠，山東 威海 264205)

1 概述

華能威海電廠6號機組采用哈爾濱鍋爐廠生產的HG-2001/26.15-YM3型超超臨界直流鍋爐及上海汽輪機廠和上海電機廠生產的680 MW超超臨界發電機組，于2010-12-31完成168 h試運行，移交給電廠試生產。機組運行4個月(約2 976 h)后，于2011-05-01開始進行首次C級消缺性檢修。在金屬監督檢查中發現，鍋爐甲、乙側主蒸汽管道水壓堵頭過渡直管段焊縫熱影響區均產生環向裂紋。主蒸汽管道規格為Φ457×85 mm，材質為SA-335P92。具體結構和裂紋位置如圖1所示。

該過渡直管段管材質為P92鋼，規格：Φ457×85 mm。現場進行該彎頭的壁厚和材質確認，具體如表1(記錄管段編號與圖1.b相同)所示；采用里氏硬度計檢測結果如表2所示。

表1 彎頭壁厚和材質

表2 硬度結果

裂紋緊鄰熔合區產生并沿熔合區斷續分布于整個圓周，最深處約5 mm。現場觀察發現，主蒸汽管道水壓堵頭焊縫打磨消除不徹底，殘留在管材上的焊縫高度為1.5～2.5 mm，寬度為70～100 mm。

2 原因分析

2.1 P92鋼的特性

P92鋼是日本開發的一種新型耐熱鋼，是在P91鋼的基礎上，以W取代部分Mo而形成的新鋼種，標準中規定的鋼材化學成分如表3所示，現場檢測管材的主要合金元素基本在標準成分范圍內。檢測堵頭焊縫的成分，主要合金元素基本為P92鋼的焊材，焊接材料為Thermanit MTS 616，其化學成分如表4所示。根據P92鋼的化學成分，P92鋼屬于馬氏體型的耐熱鋼，焊接這類鋼的主要問題有：焊接冷裂紋、焊接接頭脆化和軟化區IV裂紋等問題。然而國內在幾年前發現P92鋼在埋弧焊焊縫中有大量的表面細小裂紋產生，而且產生表面裂紋的幾率非常高，對裂紋產生機理仍處于探索和研究階段。

表3 SA213T92/SA335P92化學成分

表4 焊接材料的化學成分

2.2 裂紋原因分析

(1) 從6號爐主蒸汽管道裂紋產生位置來看，該裂紋性質不屬于細小裂紋的類型，裂紋產生于緊鄰焊縫熔合區的粗晶區。根據目前對P92鋼的研究結果，該區域晶粒粗大，韌性較差。因熔合區焊址處的應力集中，同時受到較大的焊接應力，容易引起焊接冷裂紋，但冷裂紋的發展在這種情況下主要呈連續分布。

根據鋼材的化學成分，P92鋼含有多量的析出強化元素，在較高應力作用下，容易產生再熱裂紋。由于裂紋沿圓周呈斷續分布，且堵頭焊接時焊縫較寬，因此焊后殘余應力較高，同時考慮堵頭的坡口形狀，其內坡口根部將產生很大應力集中。若坡口根部存在焊接質量問題或成型不良，其應力集中還會增大，在隨后的熱處理過程中，會引起粗晶區產生裂紋并沿焊址應力集中處分布。此外在彎頭與管段焊接時，因焊縫收縮會對該部位形成拉應力，在安裝焊接接頭的熱處理過程中，堵頭焊接區也將同時受到再次熱處理，而且塑性變形將會主要集中在壁厚較薄的管段區，引起原始裂紋沿焊址應力集中位置擴展，形成了整個圓周方向分布的斷續裂紋。因此，認為該裂紋屬于再熱裂紋的可能性比較大。

(2) 由于再熱裂紋屬于蠕變損傷造成，同時根據壁厚的測試結果，在甲、乙側安裝焊縫存在壁厚不等引起的錯邊問題，需擇機更換裂紋產生處的直管段，管段長度不應小于500 mm。考慮到新投產機組1年后有1次檢修工期，如果本次從管段的準備到焊接實施有困難，可先對缺陷進行修復，并盡快做好更換準備工作。

(3) 水壓堵頭焊接資料，未找到水壓堵頭焊后熱處理曲線。水壓堵頭焊后未及時進行熱處理也有可能造成堵頭過渡直管段(P92鋼材)表面存在再熱裂紋缺陷。割除水壓堵頭后，未對過渡直管段進行檢查驗收，便直接安裝彎頭，恢復主蒸汽系統管道，也是造成本次裂紋的重要原因之一。

3 裂紋修復措施

(1) 采用角向磨光機將裂紋清除，坡口面表面光滑；打磨兩焊縫之間管段，使其露出金屬光澤，并檢查安裝焊縫焊趾處，將該處溝槽修磨圓滑。

(2) 利用磁粉探傷技術，保證裂紋清除干凈，要求焊縫之間的管段、安裝焊縫焊趾位置一同進行檢驗，確認無裂紋存在。

(3) 執行標準：《火力發電廠焊接技術規程》DL/T 869—2004，《火力發電廠焊接熱處理技術規程》DL/T 819—2002。

(4) 焊工和熱處理工需持相應資質證和上崗證。

(5) 焊接前采用電阻加熱方法先將焊接處預熱至200～250 ℃，預熱溫升速度≤70 ℃/h。考慮到補焊等原因，預熱恒溫時間為2 h，并保持焊接層間溫度不超過250 ℃。

(6) 采用焊條電弧焊，直流焊機。選用Thermanit MTS 616，規格為Φ2.5的焊條。焊接前，按焊條說明書要求，對焊條進行2 h溫度為300～350 ℃的烘干，放入100 ℃保溫桶中帶入現場。

(7) 焊接規范：焊接電流80～100 A；電壓20～24 V，直流反接。

(8) 采用多道多層焊接，焊條不做橫向擺動，重新引弧時要清理弧坑并將焊渣清理干凈。

(9) 焊縫表面與母材圓滑過渡，接頭表面不得有咬邊、尖角溝槽等缺陷。

(10) 焊接完成且焊工自檢合格后，溫度降至90～110 ℃并保溫1 h，然后升溫進行熱處理，熱處理曲線如圖5所示。按照P92鋼焊接熱處理工藝導則，760 ℃需恒溫時間為4～6 h。考慮到焊縫補焊深度約5 mm，根據補焊的實際情況，760 ℃的恒溫時間改為2 h。減少恒溫時間，避免母材的機械性能發生變化。

(11) 熱處理完成后，打磨焊縫表面，進行磁粉探傷檢驗，確認無裂紋。對焊縫及母材做硬度檢測，硬度為190～200 HB，符合P92鋼質量檢驗標準的要求。

4 預防措施

(1) 運行中加強巡檢，發現主蒸汽管道存在泄漏現象時，立刻進行停機消缺。

(2) 由供應部門負責主蒸汽管道直管段的備品準備，檢修部門隨時做好更換裂紋直管段的準備。有停爐機會時，根據停爐時間更換裂紋直管段，確保機組不帶隱患運行。

(3) 由基建辦負責復檢鍋爐廠進口P92鋼管道的商檢報告，確認該管道來源和材質。對材料有疑問時更換較長的直管段。

(4) 檢修部門從裂紋直管段向爐后方向進行測厚和硬度普查，發現厚度超過制造偏差時，應及時指明位置；硬度超標時，應查明原因及時消除。

(5) 責任部門建立并完善的“四大”管道臺賬，對發現及處理的問題做好記錄，便于追溯。

(6) 對機組“四大”管道焊口、彎頭、大小頭、三通焊縫結合機組檢修，提前安排普查。對于三通焊縫加工件和鍋爐廠管道備件焊縫，如果加工時未進行熱處理，而是在加工件集中后進行熱處理的，都不能保證熱處理效果，很可存在個別焊縫硬度超標或投產后短期內就發生焊縫表面裂紋現象。這類加工件應列為重點檢查項目，通過普查及時發現并徹底消除“四大”管道及其管件存在的隱患。