新型耐熱鋼用于超超臨界機組鍋爐出現的問題分析及對策

劉鴻國

(華能玉環電廠，浙江省 臺州市，317604)

0 引言

新型鋼材應用是超超臨界機組鍋爐的關鍵技術之一。T23、T/P92、SUP304H、HR3C 等新型耐熱鋼在國外已研究應用多年，但在國內使用時間還較短。部分新型耐熱鋼實施了國產化或正在實施國產化，對材料的制造、安裝工藝、使用性能及特性尚未全面掌握。近年來有些采用新型耐熱鋼的超超臨界機組鍋爐先后出現焊口開裂、受熱面爆管、氧化皮堆積堵管等問題，嚴重影響了機組安全、穩定運行。分析這些新型耐熱鋼早期失效案例的原因、機理，提出預防措施，對超超臨界機組鍋爐安全運行以及更高等級鍋爐的選材有重要的借鑒意義。

1 鍋爐的熱負荷、用材及常見缺陷

國內超超臨界鍋爐主要由哈爾濱鍋爐廠、上海鍋爐廠、東方鍋爐廠制造(哈爾濱鍋爐廠簡稱A廠、上海鍋爐廠簡稱B廠、東方鍋爐廠簡稱C廠)，它們所依托的外方技術路線不同，因此在1 000 MW超超臨界機組鍋爐爐型和熱負荷選擇上有較大差異，如表1所示。

表1 1 000 MW超超臨界機組鍋爐熱負荷Tab.1 Heat load of 1 000 MW USC boilers

由于設計及制造方面的差異，3家鍋爐廠的產品在實際運行中先后出現了不同的問題。A廠水冷壁設計了節流孔圈，由于制造、安裝、運行過程中的清潔和給水品質等問題，節流孔圈極易堵塞造成超溫爆管。B廠水冷壁采用T23鋼，該類鋼由于焊接工藝及設計、結構應力等原因，水冷壁焊縫及鰭片容易開裂。一些發電廠在集箱、管道、三通等部件上較多地出現P92鋼焊縫裂紋、異種鋼接頭早期失效，甚至出現了HR3C鋼管子彎部垂直段爆裂、Super304H鋼氧化皮剝落等現象。

2 T/P92鋼應用中的主要問題

國內首臺1 000 MW超超臨界機組投運已經5年了，但是對新型耐熱鋼材仍然缺乏足夠的認識。由于一些設計、制造單位用材不當，配管及施工單位對規程執行不嚴，出現了T/P92鋼管道、集箱焊縫開裂，表面產生裂紋等早期失效現象。某電廠2號鍋爐，材質為P92鋼的高壓再熱器、高壓過熱器集箱由日本制造，在運行1年后的檢修中，經射線和超聲波檢查，其焊縫存在大量不同深度的裂紋，其中10個焊口需要挖補或切割消缺。電廠和制造廠分析原因，認為是日本方面焊接工藝存在問題。某電廠3號鍋爐投運4個月，B側再熱器出口管道(材質為SA335P92鋼，規格為φ836 mm×46 mm，運行溫度600℃，壓力27.46 MPa)，出鍋爐后的第1個彎頭處水壓堵閥與直管段對接焊縫發現有貫穿性裂紋，裂紋已穿透焊縫，外表面裂紋長度約為650 mm，見圖1。

圖1 再熱器熱段管道對接焊縫裂紋Fig.1 Butt weld crack of reheated pipeline

缺陷產生的原因:焊縫裂紋都發生在彎頭水平段對接焊縫的仰焊處，結構形式和系統布局綜合導致應力重疊，其中焊縫硬度較高，熱影響區硬度合格，焊縫裂紋是原始缺陷或裂紋在設備起、停過程中的熱應力和運行過程中的內壓應力共同作用下逐步發展起來的。同時，運行中管道下部承受了軸向附加拉應力，促進了裂紋的擴展。在仰焊位置焊接作業較困難，焊接的線能量及焊層厚度較難控制。此外，一些施工單位在吊焊位置采用φ4.0 mm焊條蓋面，在工藝控制上較為困難，沒有嚴格執行規范要求的焊接、熱處理工藝［1］。

P92鋼主汽管道焊縫磁粉檢測經常發現焊縫表面存在微裂紋，如圖2所示。該類缺陷在配管廠較為普遍。經試驗分析得知，該類裂紋既非常見的焊接熱裂紋，也非延遲裂紋(氫致裂紋)，而是P91P92鋼焊縫的高應力馬氏體在潮濕環境下產生的應力腐蝕［2］。主要原因是焊后沒有及時熱處理。若焊后不能及時熱處理，需進行后熱處理。后熱處理必須采取特殊措施，否則焊縫表面仍會產生微裂紋。

圖2 主汽管道表面微裂紋Fig.2 Micro-cracks on main steam pipe

3 Super304H和HR3C鋼應用中的主要問題

Super304H、HR3C鋼在實際使用中也出現了一些問題，特別是在國產化過程中，由于制造工藝問題及缺乏對材料的長期性能評價，出現了爆管開裂等早期失效現象。某電廠6號機組(1 000 MW)鍋爐在整套啟動期間二級再熱器入口管(材質Super304H，規格φ60 mm×3.8 mm)發生泄漏，3條裂紋長度分別為20、5、3 mm，距離焊縫分別為 25、10、15 mm，金相組織為奧氏體+少量孿晶，見圖3。

圖3 Super304H鋼裂紋尖端金相組織Fig.3 Microstructure of crack tip for Super304H steel

分析認為Super304H鋼開裂的主要原因是不銹鋼基體發生了晶界腐蝕現象，形成了離散分布的晶界微裂紋。在焊接應力和工作應力作用下，晶界微裂紋擴展加快，聚合串連形成宏觀裂紋，屬于晶間腐蝕誘導下的應力腐蝕開裂。該管子為國產化產品，對該批管子晶間腐蝕試驗表明:部分樣管具有較高的晶間腐蝕敏感性，原始試樣直接進行熱腐蝕后就產生了嚴重的晶界腐蝕開裂現象，經敏化處理后，進行熱腐蝕試驗的試樣彎曲后表面裂紋非常嚴重。

某電廠1 000 MW超超臨界機組Π型直流鍋爐(B廠生產)，自2010年10月投產以來，鍋爐末級再熱器HR3C鋼管最外圈下彎頭部位已發生3次開裂泄漏事故，嚴重影響了機組的安全運行。管子規格為φ57 mm×4 mm，爆口總長約160 mm，開口最寬處約8 mm，破口邊緣粗鈍，管壁無明顯減薄，呈脆性斷裂特征，爆口附近存在眾多平行于破口的縱向凹痕(見圖4)。

圖4 HR3C鋼爆管Fig.4 Explosion of HR3C steel

從金相組織及能譜觀察結果看，管子組織為孿晶奧氏體，晶粒度3～4級。ASME SA-213/SA-213M(2007版)標準［3］中規定TP310HCbN鋼的晶粒度為7級或更粗，但是對晶粒度的下限值未做具體規定。GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》［4］中 對07Cr25Ni21NbN不銹鋼的晶粒度規定為4～7級。因此，本取樣管的晶粒較為粗大，晶粒度不滿足標準GB 5310—2008的技術要求。距爆口約700 μm和1 000 μm位置各有1條與爆口方向平行的縱向裂紋，裂紋均近似垂直于管子外壁，深分別約150 μm和850 μm，沿晶界由管子外壁向內擴展。爆口裂紋尖端的主裂紋旁存在較多的二次裂紋，裂紋均沿晶界擴展(見圖5)。在裂紋尖端發現了Cl元素，晶界處已發生了晶間腐蝕。據了解，該廠末級再熱器管屏彎頭冷彎成型，彎后未進行固溶熱處理，導致彎管外弧側的形變硬化未能充分消除，硬度值明顯高于標準要求，外弧側材料脆性增加且材料的晶間腐蝕敏感性較嚴重。分析認為，管子開裂的主要原因是具有較高晶間腐蝕敏感性的奧氏體不銹鋼在一定的腐蝕介質下產生了晶間腐蝕，形成晶間微裂紋。在彎管殘余應力和運行應力的共同作用下，晶界微裂紋加速擴展，最終相互連接、聚合，形成宏觀裂紋，即發生應力腐蝕。裂紋萌生于外壁，由外壁向內壁擴展，最終導致管子開裂。建議對冷彎后的HR3C鋼管子進行固溶處理并嚴格控制彎管質量。

圖5 HR3C鋼爆管裂紋尖端Fig.5 Crack tip of HR3C explosion

4 T92/HR3C異種鋼焊接接頭早期失效

A、B鍋爐廠制造的高溫再熱器，在機組啟動過程中或短時間運行后先后出現了T92/HR3C異種鋼焊接接頭早期失效，導致停爐。對樣管進行解剖宏觀檢查及光譜、硬度、金相分析等表明:主裂紋為沿周向擴展的平直裂紋，其斷裂面基本與管長方向垂直，主裂紋端部還有2條與主裂紋不相連的裂紋，這2條細微裂紋均未開裂到外壁。光譜分析化學成份合格，硬度值超標，裂口處T92鋼側橫截面金相組織為位向不明顯的回火馬氏體+鐵素體。分析認為，由于在配管過程中T92鋼和HR3C鋼管厚度差異較大，T92鋼側管子車削加工不良，臺階處有應力集中傾向，在焊接工藝不當等因素的共同作用下產生顯微裂紋，進而在熱應力和內壓應力的共同作用下，顯微裂紋擴展成宏觀裂紋，由內向外擴展，最終導致接頭失效。建議對類似管子加工配管時必須車削光滑，過渡合理，避免結構應力集中，施工中嚴格按焊接工藝評定要求施焊，焊后24 h內對焊接根部進行超聲波檢測。

5 超超臨界鍋爐氧化皮問題分析及對策

660、1 000 MW超超臨界機組的鍋爐在運行過程中，先后出現氧化皮剝落堆積現象，三大鍋爐廠的產品均有相應案例。有些電廠鍋爐過熱、再熱系統受熱面經磁性檢查或拍片檢查有50%的彎部存在氧化皮堆積現象，有些管子堆積高度超過管徑一半以上。經分析認為，660 MW機組鍋爐堆積的氧化皮主要來自T23、T91、TP347H 鋼管，1 000 MW 鍋爐主要來自Super304H鋼管。這與設計上對這些新型材料抗蒸汽氧化許用溫度選用的余度不足、制造工藝不當、運行時超溫及汽水品質不良等因素有關。

TP347H、Super304H鋼作為18-8奧氏體不銹鋼與HR3C鋼相比Cr含量較低，晶內Cr擴散能力不強，不能為氧化界面提供選擇性氧化所需的充足Cr原子，無法在金屬表面形成致密的純Cr2O3保護膜，使金屬基體遭受進一步的氧化腐蝕，抗蒸汽氧化能力一般認為只能作用于 620℃以下［5］。通過對Super304H鋼管內壁氧化皮金相試驗和能譜面、線、點掃描試驗，結合起來看，氧化層外層富Fe和O，成份為Fe3O4和Fe2O3，內外層界面處有1層深色薄層，該層富Cr，成份接近Cr2O3，臨近該層的白色顆粒富Ni和Cu，為氧化的金屬，向內是(Fe，Cr)3O4尖晶石層，在氧化層和基體相鄰處的深色層為Cr2O3，如圖6所示。管壁氧化皮的結構和形貌受鋼管材質、規格和介質溫度、壓力、流速等多種因素的影響，導致氧化皮厚度不均勻，結構復雜，成份不同［6］。

圖6 SUP304H鋼管內壁氧化皮成份分布Fig.6 Component distribution of oxide coating in SUP304H steel inner wall

對超超臨界機組鍋爐管子氧化皮剝落和堆積問題，國內進行了一些研究［7］，但目前并未較深地掌握超超臨界工況下TP347H、Super304H等鋼材的蒸汽氧化及剝落機理，也未提出較切實可行的預防措施。

玉環電廠超超臨界1 000 MW機組，其鍋爐爐膛設計截面熱負荷較高、材料選用等級相對其他制造廠偏低、Super304H鋼未噴丸處理、實際燃用煤種嚴重偏離設計、采用雙切圓燃燒器設計，這些因素使氧化皮剝落的風險較高。然而，該電廠卻是4家裝有同類機組的電廠中唯一一家暫時不受氧化皮剝落堆積困擾的電廠，該電廠在新型不銹鋼使用性能研究和防止氧化皮剝落堆積方面做了一些有益的工作。主要從溫度、材料表面處理、水處理品質等方面在運行、檢修過程中進行預防。例如針對鍋爐設計截面熱負荷較高，煤種適應性較差，又大量燃用劣質煤，爐膛燃燒特性發生變化，下游(過熱器、再熱器)煙溫高于設計值等問題，采取了加強配煤攙燒和燃燒調整試驗、加裝溫度測點、實施爐內外壁溫測點比對試驗等措施，以控制管屏溫差，防止受熱面超溫。此外，還開發了超超臨界鍋爐壽命管理系統，加強材質評估和檢修檢查、監督;嚴格控制汽水品質，采用自行研發的“定向微量加氧”技術，既解決了給水側Fe3O4析出，水冷壁節流孔結垢問題，又避免了蒸汽側氧化皮剝落堆積。上述工作仍在進行中，以期對超超臨界機組防治氧化皮危害有所幫助。

6 結論

(1)加強新型耐熱鋼使用性能研究評價，掌握T23、TP347H、Super304H、HR3C 鋼材特性，對保證超超臨界鍋爐安全運行有重要意義。

(2)Super304H、HR3C鋼在國產化過程中，應注意敏化試驗，防止晶間腐蝕導致早期失效。

(3)制配彎管時應按照有關要求進行固溶處理，并對固溶效果進行金相檢驗，該措施可有效防止彎部開裂。

(4)對于新型耐熱異種鋼焊接接頭(如T92/HR3C鋼)，應注意配管質量，加強焊接工藝評定、長期性能評價，嚴格執行焊接工藝和焊后熱處理、無損檢測，預防焊接接頭早期失效。

(5)優化選材、提高受熱面材料抗蒸汽氧化能力、防止受熱面超溫、嚴格汽水品質控制、注重燃燒調整、優化運行方案、加強檢修檢查和材料評估監督是防止超超臨界機組鍋爐氧化皮剝落堆積危害的重要途徑。

［1］沈琦，劉鴻國.新型耐熱鋼T/P92、T/P122在超超臨界機組中的應用及監督［J］.電力建設，2010，31(10):71-75.

［2］范長信，周榮燦.9% ～12%Cr新型馬氏體耐熱鋼的焊后熱處理［G］//超超臨界鍋爐用鋼焊接技術協作網.第二屆論壇論文集.北京:超超臨界鍋爐用鋼焊接技術協作網，2007:16-21.

［3］ASME SA-213/SA-213M—2007鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子［S］.北京:中國石化出版社，2007.

［4］GB 5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［5］賈建民.超超臨界機組鍋爐用不銹鋼管表面冷作硬化處理對其抗蒸汽氧化性能的影響［J］.熱力發電，2009(6):32-36.

［6］柯文石，洪道文，劉鴻國，等.超超臨界機組用新型不銹鋼SUP304H實際服役條件下運行2.5萬h性能評價［J］.中國電機工程學報，2010，30(8):177-180.

［7］劉鴻國，蔡暉，唐麗英.不銹鋼爐管運行近10 000 h后的氧化物檢測及分析［J］.理化檢驗:物理分冊，2009(11):711-713.