末級(jí)過熱器出口導(dǎo)汽管裂紋分析及處置方案

王　強(qiáng)，劉志強(qiáng)，王永強(qiáng)

（山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西　汾陽　032200）

工程技術(shù)

末級(jí)過熱器出口導(dǎo)汽管裂紋分析及處置方案

王強(qiáng)，劉志強(qiáng)，王永強(qiáng)

（山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司，山西汾陽032200）

闡述了某電廠300MWCFB鍋爐末級(jí)過熱器出口導(dǎo)氣管彎頭產(chǎn)生裂紋的原因及相應(yīng)的處理方案。為了查明彎頭開裂的真正原因，這次失效分析采用了現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)、鋼管的合金成分分析、磁粉檢測(cè)等試驗(yàn)方法，為彎頭失效原因的查明提供了有力的技術(shù)保障和數(shù)據(jù)支持。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行深入探討，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)P91鋼的性能提供了典型的案例。

CFB鍋爐；失效分析；P91鋼

1　概述

某電廠300MWCFB機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司生產(chǎn)的循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐型號(hào)為：DG1085.3/17.5-Ⅱ1型，鍋爐最大連續(xù)出力為1 085.3 t/h，末級(jí)過熱出口蒸汽壓力為17.5MPa、出口溫度為541℃。鍋爐再熱蒸汽入口和出口壓力分別為：3.847MPa和3.667MPa，再熱器入口、出口溫度分別為：329℃、541℃。該機(jī)組自2015年8月投運(yùn)以來，累計(jì)運(yùn)行2600余小時(shí)，屬于新投產(chǎn)機(jī)組。

本次出現(xiàn)裂紋缺陷的部件為末級(jí)過熱器出口集箱至主蒸汽管道的導(dǎo)氣管。導(dǎo)氣管的規(guī)格為

Φ141mm×22mm，材質(zhì)為SA-335P91。發(fā)生開裂的部位為導(dǎo)氣管的外弧面（如圖1），宏觀裂紋長(zhǎng)度約7mm。

圖1　開裂的彎頭

同時(shí)在彎頭的其他部位發(fā)現(xiàn)疑似補(bǔ)焊過的區(qū)域，如圖2所示。

圖2　彎頭上疑似補(bǔ)焊的區(qū)域

2　彎頭缺陷區(qū)域的實(shí)驗(yàn)分析

2.1裂紋區(qū)域金相組織分析

對(duì)裂紋區(qū)域采用粗砂紙進(jìn)行打磨，打磨后的缺陷外觀如圖3所示。可以看到兩條主裂紋之間存在大量的小裂紋。

圖3　打磨后的缺陷照片

將裂紋區(qū)域的金相組織分別放大到200倍和400倍（如下頁圖4），可以看到該區(qū)域的金相組織變化明顯。從金相照片中可以很明顯地觀察到金相組織具有焊縫熔合區(qū)、晶粒粗大的過熱區(qū)、晶粒細(xì)小的相變重結(jié)晶區(qū)等形貌特征。可以初步判斷裂紋的產(chǎn)生可能是由于在該管道上的焊接引起的。

圖4　裂紋區(qū)域放大200倍和400倍的金相照片

2.2缺陷區(qū)域合金成分的分析及硬度檢測(cè)

采用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的便攜式熒光X射線合金分析儀（儀器的型號(hào)為：S1TITAN500型）對(duì)裂紋區(qū)和緊挨裂紋區(qū)的母材區(qū)進(jìn)行合金成分的分析。這種設(shè)備的工作原理是：儀器激發(fā)出一定量的X射線并照射到金屬表面，X射線從被照物體中擊出內(nèi)層電子時(shí)，被照金屬將產(chǎn)生特征X射線，這部分特征X射線被儀器吸收，從而得到材料中合金的成分含量。本次檢測(cè)得到的裂紋區(qū)和母材區(qū)的主要合金成分如表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出母材區(qū)的主要合金成分和管道的設(shè)計(jì)材料P91的主要合金成分相符，但裂紋區(qū)和母材區(qū)的成分明顯不同，再一次證明了裂紋區(qū)為焊接修復(fù)區(qū)域。

表1　母材和焊縫的主要合金成分　%

硬度實(shí)驗(yàn)采用瑞士生產(chǎn)的EQUOTIP3型便攜式里氏硬度儀進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)是對(duì)該彎頭的裂紋區(qū)和相臨近的母材區(qū)域進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)所得到的裂紋區(qū)域的硬度的平均值為280HBHLD，檢測(cè)得到與裂紋區(qū)鄰近的母材區(qū)的平均硬度值220HBHLD。依據(jù)DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》附錄C的規(guī)定，P91鋼管材料的硬度（HB）范圍規(guī)定在180～250之間；P91材料的焊縫區(qū)域的硬度（HB）范圍應(yīng)該控制在180～270之間。顯然裂紋區(qū)的硬度超出了P91材料硬度允許的上限值。過高的硬度往往伴隨著材料塑性的下降，這可能是導(dǎo)致彎頭開裂的重要原因。并且該機(jī)組已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行2600多小時(shí)，相當(dāng)于在541℃回火了2600多小時(shí)，回火往往可以將材料的硬度降低，這說明該彎頭裂紋區(qū)域在投入使用時(shí)的硬度值可能更高，塑性更差。

2.3裂紋缺陷的消除與深度測(cè)定

缺陷的消除采用細(xì)砂紙磨片打磨的方式進(jìn)行，并依據(jù)NB/T47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裂紋缺陷的跟蹤檢測(cè)（如圖5），以保證裂紋的徹底消除。最終在磁軛無磁痕顯示時(shí)，計(jì)算得到裂紋的最大深度約為4.5mm。

圖5　裂紋打磨消缺

2.4疑似補(bǔ)焊區(qū)域的金相分析

對(duì)疑似補(bǔ)焊的區(qū)域進(jìn)行金相分析，將其金相組織放大400倍后的照片如圖6。可以看到疑似補(bǔ)焊區(qū)域同樣具有焊縫附近區(qū)域的金相組織特征，并且在部分區(qū)域內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了微裂紋。

圖6　疑似補(bǔ)焊區(qū)域的金相組織

3　基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析及相應(yīng)的方案

3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

通過以上的實(shí)驗(yàn)可以判斷，該彎頭的裂紋可能是由于對(duì)彎頭進(jìn)行焊接而形成的。這個(gè)彎頭可能在生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)了某些缺陷，生產(chǎn)人員采用了焊接的方式對(duì)該彎頭進(jìn)行修復(fù)。在彎頭工作后，這些焊接修復(fù)的部位作為彎頭的薄弱部位而發(fā)生失效開裂。

3.2彎頭的處置方案

由于彎頭的裂紋深度較深，且裂紋區(qū)域的面積比較大；同時(shí)這個(gè)彎頭的焊補(bǔ)的部位較多，且部分焊補(bǔ)區(qū)域產(chǎn)生了裂紋。因此決定對(duì)該彎頭進(jìn)行整體更換。

彎頭更換的焊接方案如下：

1）焊接弧焊電源設(shè)備選用ZX7-400ST型逆變焊機(jī)，采用雙人對(duì)焊工藝施焊。需要準(zhǔn)備氬弧焊、焊條電弧焊用具各兩套。履帶式加熱器一套。

2）焊絲選用日本神鋼生產(chǎn)的TG-S9CB型焊絲，規(guī)格為Φ2.4mm；焊條選用奧鋼聯(lián)伯樂焊接（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的牌號(hào)為TphoenixCrMo9V的焊條，規(guī)格為：Φ3.2mm×350mm。焊絲使用前進(jìn)行表面清理，焊條使用前依照說明書進(jìn)行烘烤，使用時(shí)將烘烤后的焊條裝入保溫桶內(nèi)，隨用隨取。

3）選用氬弧焊的鎢極型號(hào)為：Wce-20，規(guī)格為Φ2.5mm。焊道背部采用充氬保護(hù)，氬氣的流量為10～11 L/min，氬氣的純度不低于99.95%。

4）用機(jī)械的方法制備焊接坡口，坡口形式采用雙“V”型（見圖7）。將坡口兩側(cè)10～15mm內(nèi)的油、銹等雜質(zhì)清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。

圖7　焊接坡口

5）整個(gè)焊接過程的焊接熱輸入見表2。

表2　焊接熱輸入控制表

6）焊接過程的熱處理曲線圖見圖8。氬弧焊打底焊接時(shí)，預(yù)熱的溫度為150℃，控制層級(jí)溫度不要超過200℃；采用焊條電弧焊進(jìn)行焊接時(shí)的預(yù)熱溫度為200℃，焊接層間溫度控制在300℃以內(nèi)；焊接結(jié)束后將溫度降至100～120℃，并恒溫2h，以確保焊縫的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織；然后以70℃/h的升溫速度將焊縫升溫至760℃，并恒溫2h，進(jìn)行高溫回火熱處理；最后以70℃/h的速度將焊縫緩慢冷卻至室溫。整個(gè)焊接熱處理過程采用柔性陶瓷電加熱片加熱，加熱的寬度為300mm。

圖8　焊接過程熱處理曲線圖

7）焊接完成后的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按照DL/T869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》6.3“焊接接頭無損檢測(cè)”中的要求進(jìn)行。焊縫的硬度驗(yàn)收按照DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》“附錄C”進(jìn)行。

4　結(jié)語

現(xiàn)行的DL/T438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》等規(guī)程都沒有明確規(guī)定高壓彎頭能不能采用焊接方式進(jìn)行修復(fù)。從本案例來看，P91材料系列的高壓彎頭，焊接修復(fù)較常規(guī)部件的焊接修復(fù)將更加復(fù)雜，要求也更高。因此P91材料系列承壓彎頭的焊接修補(bǔ)需要謹(jǐn)慎使用。目前常用的DL/T 695—2014《電站鋼制對(duì)焊管件》等規(guī)程規(guī)定，對(duì)彎頭上的缺陷適宜采用打磨等機(jī)械方法加以消除。

（編輯：王紅霖）

Analysis and Solutions for Airway Cracks of Final-stage Superheater Outlet

Wang Qiang，Liu Zhiqiang，Wang Yongqiang

（ShanxiGuofeng Coal-Power Co.，Ltd.，F(xiàn)enyang Shanxi 032200）

Based on the scientific analysis of the possible reasons of airway bend cracks of a 300MW CFB boiler's final-stage superheater outlet in a power plant，some solutions are put forword accordingly in this paper.To find out the true causes for the cracking of the bend，somemethods such as field metallographic test，field hardness test，alloy composition analysis of the steel pipe，magnetic particle testwere applied，which provide strong technical and data support.Moreover，the in-depth research and repeated discussions of the possible causes of the bend cracks in accordance with the current standardsmake it a typical case for further understanding of the properties of P91 steel.

CFB boiler；failure analysis；P91 steel

TK223.3+2；TG44

A

2095-0748（2016）11-0062-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.26

2016-04-28

王強(qiáng)（1983—），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，內(nèi)蒙古科技大學(xué)在職研究生，中級(jí)工程師，現(xiàn)就職于山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司設(shè)備部，長(zhǎng)期從事火力發(fā)電廠設(shè)備檢修的管理工作；劉志強(qiáng)（1991—），男，山西平遙人，畢業(yè)于中原工學(xué)院，現(xiàn)就職于山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司設(shè)備部，從事火力發(fā)電廠設(shè)備檢修管理工作；王永強(qiáng)（1982—），男，山西太原人，畢業(yè)于中北大學(xué)，現(xiàn)就職于山西國(guó)峰煤電有限責(zé)任公司設(shè)備部，從事循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備管理工作。