超超臨界燃煤發(fā)電機組主蒸汽管道運行3萬h性能分析

邵天佑,邵 淵

(1.華能玉環(huán)電廠,浙江 玉環(huán) 317604;2.西安熱工研究院,陜西 西安 710001)

0 引言

新型耐熱金屬材料的研發(fā),促進了超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。2006年11月,玉環(huán)電廠1號機組投入商業(yè)運行。據(jù)統(tǒng)計,我國已經(jīng)投運百萬千瓦級超超臨界燃煤發(fā)電機組30余臺,已經(jīng)成為世界上擁有超超臨界燃煤發(fā)電機組最多的國家。P92鋼作為近年來我國火電機組建設廣泛應用的新型耐熱鋼,在規(guī)范設計、制造加工、焊接安裝、運行監(jiān)督等方面還處在積累經(jīng)驗階段,特別是運行后的破壞機理更需要深入研究與分析。因此,及時將P92鋼在運行和消缺過程中暴露出的問題進行分析與總結(jié),才能保證超超臨界燃煤發(fā)電機組的安全運行。

在電廠基建初期,華能公司高度重視新型耐熱鋼的應用,聯(lián)合科研、施工、配管廠等單位,進行了P92鋼焊接工藝研究及評定,在取得成功經(jīng)驗后再應用到施工現(xiàn)場。截至2010年機組檢修,1號機組累計運行已近3萬h,2號機組也累計運行2.5萬h。檢修期間結(jié)合機組安裝階段發(fā)生的問題,對主蒸汽管道P92鋼母材、焊縫、彎管和監(jiān)視段進行了全面檢查,包括宏觀、壁厚、金相、硬度和蠕變檢查,以及采用超聲波、射線和磁粉等手段進行無損檢測。

1 焊接工藝的要求

P92鋼的成分為9Cr-2W,是在P91鋼的基礎上,適當降低M o(鉬)的含量,M o的含量為0.3%～0.6%;加入1.8%左右的W(鎢),W的含量為1.5%～2.0%;添加0.001%～0.006%的B (硼),通過改良而研發(fā)的一種新型耐熱鋼。P92鋼的抗拉強度大于等于620 M Pa;屈服強度大于等于440MPa;伸長率大于等于20%;平均硬度小于等于250 HB,具有較高的高溫持久強度、抗疲勞、抗蒸汽氧化、加工工藝和焊接性能,最高使用溫度可達625℃,主要用于超超臨界燃煤發(fā)電機組的主蒸汽管道。

P92鋼的優(yōu)異性能來自對金屬組織的精確控制。在制造和安裝過程中,如果不能嚴格執(zhí)行正確的施工工藝或合理地組織實施,都將導致P92鋼的高溫強度顯著下降,從而使部件早期失效。因此,對P92鋼管系施焊時,必須保證其焊縫的各項指標都符合要求,才能保證主蒸汽管系的運行安全。

用P92鋼制造的高溫部件,持久強度是其最為重要的性能,作為一種鐵素體、馬氏體類耐熱鋼,長期運行中的 IV型裂紋會導致接頭強度顯著低于母材。

另一方面,焊態(tài)下馬氏體鋼的焊縫金屬硬度高而且韌性低,需要通過合理的熱處理工藝來降低硬度,獲得足夠的韌性,避免在運行時和檢修中發(fā)生開裂。因此,必須保證足夠的焊縫沖擊功儲備。但片面追求高的沖擊功,如提高焊后熱處理溫度,有可能使接頭的持久強度降低?？傊?需要選擇合理的焊接工藝,在焊接接頭強度和韌性之間尋找一個平衡點。

2 焊接工藝的評定

玉環(huán)電廠主蒸汽管道選用P92鋼,在我國火電機組建設史上還是首次。2005年1月,工程項目正式啟動P92鋼焊接工藝評定工作,明確了由華能組織,西安熱工院技術(shù)監(jiān)督指導,江蘇電力裝備,浙江火電、天津電建等單位,合作開展P92鋼管道的工廠化配管和現(xiàn)場安裝的焊接工藝評定工作,并邀請國電電力建設研究所進行工藝試驗過程監(jiān)督。

圖1 熱處理溫度對熔敷金屬硬度的影響

選擇一種焊接工藝性能良好、焊縫金屬性能優(yōu)異的焊接材料,是保證焊接接頭質(zhì)量的前提。玉環(huán)電廠選擇了三種國外成熟的P92鋼手工電焊條,進行了熔敷金屬試驗對比、熱處理試驗、力學性能、下臨界轉(zhuǎn)變溫度(A C1)的測試、金相組織分析以及工藝性能對比,最終選取了鋼心過渡方式的M TS 616焊材,其熔敷金屬的AC1相變溫度為802℃。圖1是熱處理回火溫度對熔敷金屬硬度的影響。由圖1可以看出,A C1高的焊縫金屬抗回火能力更強。

P92鋼焊接材料選定后,與合作單位共同對P92鋼埋弧焊絲、手工焊條、氬弧焊絲進行了更全面的熔敷金屬試驗,最終確定了手工電弧焊(SMAW)、埋弧自動焊(SAW)、鎢極氬弧焊(T IG)等焊接方法及其組合的合理工藝參數(shù)并通過了工藝評定,其中關(guān)鍵指標熱處理溫度確定為760℃±10℃,焊縫熱處理后焊縫材料的硬度為180～250 HB,以保證沖擊功達到41 J的最低要求。由于施工現(xiàn)場無法對厚壁管道的焊縫取樣進行沖擊功測試,在焊接材料和焊接工藝確定后,沖擊功只取決于焊后熱處理溫度和時間,如圖2所示。但是,焊縫硬度可以在一定程度上反映焊后熱處理是否充分。

圖2 P92鋼焊接與熱處理曲線

3 焊接質(zhì)量的控制

P92鋼雖然與 P91鋼的成分和金相組織接近,但在工藝評定過程中發(fā)現(xiàn),P92鋼焊縫的性能對工藝的敏感性要比P91鋼高,尤其是對熱處理溫度的準確控制程度要求更高。在對工藝評定的過程中發(fā)現(xiàn),常規(guī)焊后熱處理設備和操作上存在不少問題:①溫控系統(tǒng)可靠性較差,無參考端補償裝置;②熱電偶采用綁扎安裝方式,無法反映熱處理金屬部件的實際溫度;③規(guī)程推薦的加熱帶寬度計算法不合理,對大口徑管道易造成焊縫根部熱處理溫度過低。

上述工藝上的3個問題不解決,往往會導致熱處理溫度處于隨機的失控狀態(tài)。為此,玉環(huán)電廠工程部先后制訂并要求嚴格執(zhí)行《P92鋼焊接工藝實施細則》、《P91、P92鋼焊后熱處理工藝導則》及《P91、P92鋼焊接質(zhì)量檢驗導則》,用3個企業(yè)標準來規(guī)范P92鋼的焊接和熱處理。

焊接過程中嚴格控制根部焊接質(zhì)量、層間溫度及焊接線能量,采用多層多道擺動焊接以及通過精細控制熱處理溫度等方法,使得焊縫各項試驗數(shù)值滿足設計要求,完成的安裝焊口焊縫表面成形良好,焊道均勻,經(jīng)超聲波探傷合格,硬度及金相檢測結(jié)果均符合工藝要求,從而確保了機組關(guān)鍵部件的安裝質(zhì)量。

4 安裝階段暴露的問題

4.1 P92鋼母材存在缺陷分析

2007年6月,在4號機組主蒸汽管道安裝時,經(jīng)超聲波檢測,發(fā)現(xiàn)管道端部母材距外表面2/3深處,存在9處超標缺陷,長為40～300mm不等、寬為20mm。缺陷位置大多在離坡口端面80 mm以內(nèi)整圈分布,性質(zhì)為分層折疊缺陷。產(chǎn)生缺陷的主要原因:①鋼管制造期間,鋼胚澆鑄工藝不當或切冒口不足;②鋼管經(jīng)過熱擠壓后,鋼錠內(nèi)的氣孔、非金屬夾雜物被擠壓成薄片,出現(xiàn)分層現(xiàn)象;③鋼管成形后剪邊量不足;④無損檢測漏檢,致使不合格管段出廠。

缺陷主要集中在主蒸汽管道端部200mm以內(nèi)。經(jīng)過大范圍檢查,共發(fā)現(xiàn)8根主蒸汽管道存在類似缺陷,并對超標的6根主蒸汽管道及時進行了更換。通過分析發(fā)現(xiàn),P92鋼中的分層缺陷,會使鋼材沿厚度方向受拉的性能大大惡化,并且有可能在焊縫收縮時出現(xiàn)層間撕裂,嚴重影響主蒸汽管道的安全運行性能,給今后的正常運行埋下隱患。新修訂的DL/T 438—2009規(guī)程中,吸取了玉環(huán)電廠的經(jīng)驗,增加了對高溫高壓管道端部0～500 mm的超聲波檢測。

4.2 埋弧自動焊焊縫表面裂紋分析

2007年5月,在對3號和4號機組安裝時,了解到配管廠發(fā)現(xiàn)P92鋼管道焊縫表面存在微裂紋的缺陷通報后,立即安排人員對現(xiàn)場同類焊縫進行全面磁粉檢測,檢測到廠家焊縫35只中有30只存在微裂紋缺陷,如圖3所示。

缺陷特征為埋弧自動焊焊縫表面存在裂紋,長5～20mm,稍打磨1～2 mm即可消除。對焊縫內(nèi)部進行超聲波檢測,未發(fā)現(xiàn)異常。初步分析產(chǎn)生缺陷的原因:①配管廠P92鋼埋弧自動焊焊接工藝操作不當,可能存在線能量過大問題;②焊后受整體、成批焊件熱處理所限,可能沒有及時進行熱處理;③在對焊口進行超聲波和磁粉檢測時,可能因耦合劑及磁懸液中含水,造成焊縫表面氫脆裂紋;④P92鋼焊縫的高應力馬氏體在潮濕環(huán)境下,可能產(chǎn)生應力腐蝕裂紋,與焊縫金屬較高的殘余應力有關(guān)。

圖3 P92鋼埋弧自動焊焊縫表面微裂紋

5 焊縫早期失效分析

據(jù)統(tǒng)計,截止2010年上半年,我國已經(jīng)投運的百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組有27臺,發(fā)現(xiàn)P92鋼焊縫失效的案例有多起。例如,2008年某電廠百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組8號鍋爐,運行1.1萬h后,發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道焊縫邊緣有一條環(huán)向裂紋(材質(zhì)為A 335P92,直徑為540 mm,壁厚85 mm,管道運行溫度為605℃,管內(nèi)壓力為26.25MPa)。又如,2010年3月某電廠百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組3號鍋爐投運僅4個月,再熱蒸汽熱段管道在運行中發(fā)生漏泄,檢查發(fā)現(xiàn)對接焊縫存在貫穿性裂紋(材質(zhì)為A 335P92,直徑為836 mm,壁厚為46 mm,管道運行溫度為600℃,壓力為7.2M Pa),如圖4所示。

圖4 再熱蒸汽熱段管道P92鋼對接焊縫裂紋

通過上述2個案例的分析,其共性為:①P92鋼對接焊縫裂紋大多發(fā)生在焊縫上,從焊縫表面形態(tài)看,焊道不均、寬度較大,高底不平,成型不良,容易產(chǎn)生應力集中;②不排除安裝階段熱處理控制沒有達到要求,造成硬度偏高,韌性降低;③支吊架設計、安裝、調(diào)整不到位,造成管系應力不均;④在機組啟停冷熱應力交變及管道內(nèi)壓應力的作用下,產(chǎn)生裂紋并遂漸擴展。

分析認為,P92鋼焊接易發(fā)生的問題是焊縫韌性低、冷裂紋傾向、Ⅳ型裂紋及焊縫的失效。由于P92鋼焊接對層間溫度敏感性很強,當層間溫度超過300℃,出現(xiàn)裂紋的可能性就會增大。因此,施焊過程中要求強化工藝規(guī)律,嚴格控制焊接線能量,規(guī)范操作過程,并對焊接全過程實施監(jiān)控,特別是要注意層間溫度和對熱處理溫度的精確控制,確保焊縫組織和硬度指標符合規(guī)范要求。

6 P92鋼運行3萬h后性能分析

6.1 金相組織對比結(jié)果

在長期經(jīng)受高溫蠕變的作用下,P92鋼容易出現(xiàn)合金元素的再分配,使得固溶強化減弱;碳化物粗化長大,碳化物間距增大,使得蠕變強度減低。玉環(huán)電廠1 GW超超臨界燃煤2號機組的主蒸汽管道材質(zhì)為SA 335P92,直徑為349 mm,壁厚為72 mm,運行至本次檢修約2.5萬h。設計溫度為605℃,壓力為27.46 M Pa。依據(jù)DL/T 884及GB/T 17394標準,分別進行了金相檢驗和硬度檢測。從主蒸汽管道母材、焊縫及熱影響區(qū)檢查結(jié)果看,金相組織均為回火馬氏體,馬氏體板條形狀清晰可見,未見明顯碳化物粗化長大現(xiàn)象。部分焊縫熱影響區(qū)金相組織為回火馬氏體以及少量δ鐵素體。所有母材及焊縫金相組織穩(wěn)定、硬度值降低不明顯。

6.2 超聲波和磁粉檢測結(jié)果

玉環(huán)電廠針對基建安裝階段曾發(fā)現(xiàn)的P92鋼管端母材缺陷,近幾年來利用機組檢修機會,對1號和2號機組各段主蒸汽管道端部進行超聲波檢查,未發(fā)現(xiàn)可記錄缺陷。對3號和4號機組安裝階段2段記錄缺陷位置復檢,原缺陷未見擴展。對直段、彎管部位母材壁厚依據(jù)GB/T 11344測量無明顯變化。依據(jù)JB/T 4730.3對安裝焊縫進行檢查,未見可記錄缺陷。

針對基建工程安裝階段曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)的P92鋼配管廠埋弧自動焊焊縫表面發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,依據(jù)JB/T 4730.4標準,繼續(xù)跟蹤監(jiān)督,及時安排磁粉檢測,未發(fā)現(xiàn)有新增類似缺陷。對部分P92鋼彎頭外弧面進行磁粉檢測,未發(fā)現(xiàn)有可記錄缺陷及異常。對彎管進行不圓度測量,均符合標準要求,較安裝階段無明顯變化。依據(jù)檢驗標準DL/T 441對主蒸汽管道水平、垂直監(jiān)視段進行蠕變測量,未發(fā)現(xiàn)異常。

7 建議

P92鋼管材已經(jīng)在我國超超臨界燃煤發(fā)電機組廣泛應用,部分機組在使用過程中出現(xiàn)焊縫裂紋等失效現(xiàn)象,究其原因主要是個別電廠對新材料性能方面了解不深、研究不透。如果在設計、制造、配管及施工安裝階段,對焊接規(guī)范執(zhí)行不嚴格,將會導致焊縫開裂、表面裂紋等早期失效現(xiàn)象發(fā)生,應吸取教訓和引起高度重視。

玉環(huán)電廠雖然安裝初期也發(fā)生過P92鋼壁厚設計偏薄、母材分層缺陷、焊縫表面裂紋等問題,但通過全過程精細化管理,在機組安裝階段嚴格控制焊接工藝、嚴格控制熱處理溫度,確保了整個工程的安裝質(zhì)量。另外,機組投產(chǎn)后仍要進行嚴格檢測,及時處理缺陷,連續(xù)跟蹤,包括必要的技術(shù)改造。例如:對主蒸汽管道的支吊架進行合理的調(diào)整,確保管系受力平衡,減少應力集中。又如:結(jié)合設備運行狀態(tài),盡早投入鍋爐、管道壽命在線監(jiān)測系統(tǒng),以便加強設備運行管理和嚴格控制超溫,用以確保機組整個管系的長期安全和穩(wěn)定運行。

建議后續(xù)建設的超超臨界燃煤發(fā)電機組,一定要認真吸取此前P92鋼設計、工藝、安裝、監(jiān)督和檢測的經(jīng)驗教訓,嚴格把關(guān),從設計、制造、安裝等源頭加強對各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制和精細化管理。要充分考慮新材料應用的各方面因素,保證設計壁厚符合要求,保證支吊架設計安裝合理。另外,安裝階段要嚴格按照焊接及熱處理工藝要求進行控制。在役超超臨界燃煤發(fā)電機組要加強金屬監(jiān)督力度,及時對投運后的金屬材料的組織性能變化進行匯總、分析和評估,不斷掌握規(guī)律,總結(jié)經(jīng)驗,采取有效的監(jiān)督方法和手段,以滿足百萬千瓦超超臨界燃煤發(fā)電機組安全運行的需要。