350 MW亞臨界機(jī)組T91鋼再熱器管泄漏失效分析

盧 權(quán), 孫 莉, 陸啟亮, 陳 偉

(1. 華北電力大學(xué), 保定 071003; 2. 北京聯(lián)合大學(xué), 北京 100101; 3. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

350 MW亞臨界機(jī)組T91鋼再熱器管泄漏失效分析

盧 權(quán)1, 孫 莉2, 陸啟亮3, 陳 偉3

(1. 華北電力大學(xué), 保定 071003; 2. 北京聯(lián)合大學(xué), 北京 100101; 3. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 上海 200240)

國(guó)內(nèi)某電廠引進(jìn)型350 MW亞臨界鍋爐運(yùn)行1.2×105h后在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，其三級(jí)再熱器T91鋼管道在定位滑塊焊接處出現(xiàn)多處泄漏失效現(xiàn)象。對(duì)其中兩根發(fā)生泄漏的T91鋼管進(jìn)行割管取樣，通過(guò)宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡以及能譜分析等方法，對(duì)其泄漏原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)，造成T91鋼管在焊接定位滑塊時(shí)局部管壁被焊穿，同時(shí)焊縫中存在氣孔等缺陷，是導(dǎo)致其在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏失效的主要原因。

再熱器管；泄漏；異種鋼焊接；焊穿；氣孔

隨著鍋爐蒸汽參數(shù)的提高，對(duì)鍋爐再熱器管材質(zhì)的要求也越來(lái)越高，SA213-T91，T92等高合金耐熱鋼及不銹鋼的應(yīng)用日益增加，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，個(gè)別部位需要采取異種鋼焊接工藝，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的焊接施工技術(shù)也提出了更高的要求。一些新型奧氏體耐熱鋼，如Super304H，HR3C等也常用于鍋爐受熱面管的高溫段，形成了較多的馬氏體/奧氏體類(lèi)異種鋼焊接接頭。但是，這類(lèi)異種鋼焊接接頭在長(zhǎng)期高溫、高壓運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生泄漏等失效現(xiàn)象[1-5]，這將嚴(yán)重影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)某電廠1號(hào)和2號(hào)兩臺(tái)350 MW亞臨界機(jī)組累計(jì)運(yùn)行1.2×105h,在停爐檢修進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分二、三級(jí)再熱器管外壁定位滑塊焊接處附近有泄漏現(xiàn)象。筆者針對(duì)其中兩根發(fā)生泄漏的三級(jí)再熱器T91鋼管進(jìn)行割管取樣，通過(guò)多種理化檢驗(yàn)方法，分析了其泄漏失效原因，并據(jù)此提出了預(yù)防措施及建議。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

兩根取樣管段材料牌號(hào)、管段規(guī)格及取樣編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 兩根取樣管段材料牌號(hào)、規(guī)格及編號(hào)

Tab.1 The material trademarks, specifications and numbers of the two sampling tube sections

管段位置材料牌號(hào)管段規(guī)格/(mm×mm)取樣編號(hào)迎火側(cè)第12排第7根T91鋼?63．5×412?7迎火側(cè)第45排第6根T91鋼?63．5×445?6

兩根取樣管段的宏觀形貌如圖1所示。兩根管段的泄漏位置均在定位滑塊焊接區(qū)，焊接于鋼管外壁的兩條定位滑塊沿鋼管長(zhǎng)度方向平行排列，每條滑塊長(zhǎng)度約120 mm，焊縫長(zhǎng)度與滑塊長(zhǎng)度相同，兩條焊縫之間間隔圓弧長(zhǎng)度約35 mm。宏觀檢查未見(jiàn)明顯的裂紋或脹粗等現(xiàn)象。取樣管段定位滑塊焊接處管內(nèi)壁宏觀形貌如圖2所示。兩根取樣管段從內(nèi)壁均可見(jiàn)明顯的沿縱向分布的焊縫，這說(shuō)明兩根管段在定位滑塊焊接處管內(nèi)壁均已焊透。

圖1 兩根取樣管段宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the two sampling tube sections

圖2 兩根取樣管段定位滑塊焊接處內(nèi)壁宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of inner wall of the two sampling tube sections at the slider welding position

1.2 化學(xué)成分分析

采用QSN750直讀光譜儀對(duì)兩根取樣管段進(jìn)行化學(xué)成分分析。表2為兩根取樣管段母材及焊接定位滑塊的化學(xué)成分分析結(jié)果，可見(jiàn)兩根管段母材中各元素含量均符合ASME SA213-SA213M-2010對(duì)T91耐熱鋼成分的技術(shù)要求。另外，兩根管段焊接定位滑塊材料的化學(xué)成分分析結(jié)果均符合ASME SA351-2007對(duì)CH20奧氏體不銹鋼成分的技術(shù)要求。

1.3 體視顯微鏡觀察

圖3為兩根取樣管段泄漏處內(nèi)壁表面的體視顯微鏡形貌,可見(jiàn)兩根管子定位滑塊焊接處內(nèi)壁均已被焊穿，內(nèi)壁可見(jiàn)一定寬度的焊縫形貌。其中12-7管子內(nèi)壁焊縫處存在一半徑約為2 mm的近似圓形孔穴,如圖3a)中箭頭所指，為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔缺陷。45-6管子內(nèi)壁可見(jiàn)沿縱向分布、寬度約5 mm的焊縫區(qū)域，且管子內(nèi)壁焊縫表面粗糙，如圖3b)所示。

表2 兩根取樣管段母材及焊接定位滑塊的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖3 兩根取樣管段泄漏處內(nèi)壁體視顯微鏡形貌Fig.3 Stereo micro-morphology of inner wall of the two sampling tube sections at the leakage position

圖4 12-7管段焊接處橫截面顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of cross-section of 12-7 tube section at the welding position:a) at low magnification; b) local magnification

圖5 45-6管段焊縫處橫截面顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of cross-section of 45-6 tube section at the welding position

1.4 金相檢驗(yàn)

圖4和圖5分別為兩根取樣管段定位滑塊焊接處焊縫橫截面形貌。由圖4a)可見(jiàn)，12-7取樣管段T91鋼管內(nèi)壁焊縫局部存在氣孔等焊接缺陷；由圖4b)可見(jiàn)，T91鋼管焊接熱影響區(qū)可見(jiàn)少量塊狀δ-鐵素體。由圖5可見(jiàn)，45-6取樣管段T91鋼管內(nèi)壁焊縫處發(fā)現(xiàn)較大的氣孔缺陷，且焊接熱影響區(qū)的組織粗大。管子焊縫處存在氣孔缺陷及焊接熱影響區(qū)組織粗大可能與焊接定位滑塊時(shí)焊接工藝操作不當(dāng)，且使用了較大的熱輸入有關(guān)。

圖6 兩種取樣管段焊接處橫截面SEM形貌及能譜分析位置Fig.6 SEM morphology and energy spectrum analysis areas of cross-section of the two sampling tube sections at the welding position

1.5 掃描電鏡觀察及能譜分析

圖6為兩根取樣管段焊接處橫截面掃描電鏡形貌，表3為對(duì)應(yīng)不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果。由圖6可見(jiàn)，兩根取樣管段焊接處橫截面上T91鋼管、焊縫和定位滑塊3種材料清晰可見(jiàn)，但T91鋼管與焊縫金屬局部未焊合，界面處可見(jiàn)明顯的氧化皮，如圖6b)所示。由表3可見(jiàn)，焊縫、定位滑塊與T91鋼管中各元素含量差別較大，為完全不同的3種材料。其中，定位滑塊材料為CH20鋼，焊接時(shí)采用的焊材牌號(hào)為T(mén)GS-2CM。

表3 兩根取樣管段焊接處橫截面各位置能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.6 力學(xué)性能試驗(yàn)

兩根取樣管段母材的室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對(duì)于兩根取樣管段，其迎火側(cè)和背火側(cè)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度滿(mǎn)足ASME SA213-SA213M-2010技術(shù)要求，但45-6管段的斷后伸長(zhǎng)率已低于標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明長(zhǎng)期服役后T91鋼管已出現(xiàn)一定的性能退化。

表4 兩根取樣管段的室溫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 Mechanical property test results of the two sampling tube sections at room temperature

編號(hào)材料取樣部位屈服強(qiáng)度Rp0．2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長(zhǎng)率A/%硬度/HV10迎火側(cè)4586222421312?7T91鋼背火側(cè)46464223226迎火側(cè)4476261822745?6T91鋼背火側(cè)49062211238標(biāo)準(zhǔn)值≥415≥585≥20≤265

2 分析與討論

由上述分析可知，雖然泄漏再熱器管已運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，其母材性能出現(xiàn)一定程度的退化，但其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度等性能指標(biāo)仍符合ASME SA213-SA213M-2010對(duì)T91鋼的技術(shù)要求。T91鋼管外壁在焊接定位滑塊時(shí)，焊縫局部位置鋼管壁厚被焊穿，焊接熱影響區(qū)組織粗大，存在較為明顯的氣孔等焊接缺陷，從而導(dǎo)致水壓試驗(yàn)時(shí)T91鋼管在焊穿位置發(fā)生泄漏。此次再熱器管進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)泄漏位置為T(mén)91鋼管定位滑塊焊接處，由于現(xiàn)場(chǎng)焊縫檢測(cè)較為困難，因此焊接缺陷難以在施工過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)。

以上分析表明，該三級(jí)再熱器T91鋼管發(fā)生泄漏失效主要是由于鋼管外壁焊接定位滑塊時(shí)焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)，焊接時(shí)采用了較大的熱輸入，從而導(dǎo)致T91鋼管局部壁厚被焊穿。

3 結(jié)論及建議

該T91鋼再熱器管外壁在與定位滑塊進(jìn)行異種鋼焊接時(shí)焊接質(zhì)量不好，導(dǎo)致局部管壁焊穿、焊縫中存在氣孔等焊接缺陷，是造成其在水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏失效的主要原因。

建議制定合理的定位滑塊焊接工藝，焊接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，防止管壁焊穿；另外，定位滑塊焊接后應(yīng)進(jìn)行無(wú)損探傷檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)焊接缺陷應(yīng)及時(shí)更換。

[1] 李天.沙角A電廠5號(hào)鍋爐再熱器管泄漏原因分析及處理[J].中國(guó)電力,2005,38(5):63-65.

[2] 張玉軍,王玉興.660 MW機(jī)組再熱器管間支撐焊縫泄漏原因分析[J].華電技術(shù),2009,31(9):39-41.

[3] 王俊霖,劉敏,張萍,等.T91高溫過(guò)熱器管爆裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(9):618-621,624.

[4] 沈美華,祝新偉,潘金平,等.電站鍋爐熱管常見(jiàn)泄漏原因及主要特征[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2013,49(8):533-537.

[5] 蒙新明,張路,賴(lài)云亭,等.某超臨界機(jī)組鍋爐過(guò)熱器管爆管原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(5):353-357.

Failure Analysis on Leakage of T91 Steel Reheater Tubes in a 350 MW Subcritical Power Unit

LU Quan1, SUN Li2, LU Qiliang3, CHEN Wei3

(1. North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Beijing United University, Beijing 100101, China; 3. Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

For an imported 350 MW subcritical boiler of a power plant in China, multiple leakage failure phenomenon occured to the third stage reheater T91 steel tubes at the slider welding positions during hydraulic test after operation for 1.2×105h. Two typical leakage tubes were cut and the leakage reasons were analyzed by means of macroscopic analysis, chemical composition analysis, mechanical property test, metallographic examination, scanning electron microscope and energy spectrum analysis and so on. The results show the improper welding process resulted in local tube wall burn-through and pore defect when welding sliders, which was the main reason for the leakage of the T91 steel tubes during hydraulic test.

reheater tube; leakage; dissimilar steel welding; burn-through; pore

10.11973/lhjy-wl201708016

2016-08-02

盧 權(quán)(1982-)，男，博士研究生，主要從事金屬材料腐蝕與防護(hù)方面的研究

陸啟亮(1988-)，男，碩士，主要從事電站鍋爐流動(dòng)傳熱計(jì)算及電站環(huán)保改造方面的工作，luqiliang@speri.com.cn

TG406

B

1001-4012(2017)08-0607-04