P92鋼管道焊縫缺陷分析及修復質(zhì)量控制

吳金勇，胡再新，羅江勇

(1.珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519090；2.廣東粵電大埔發(fā)電有限公司，廣東 梅州 514200；3.廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東 珠海 519090)

1 概述

自2006年我國首臺1000 MW超超臨界機組使用P92鋼以來，P92鋼在我國使用歷史已達10余年。在P92鋼的研究與應用中發(fā)現(xiàn)P92鋼焊縫金屬中可能出現(xiàn)冷裂紋、熱裂紋以及焊接操作性缺陷氣孔、夾渣等。文獻[1]發(fā)現(xiàn)P92鋼具有一定的冷裂傾向，文獻[2]發(fā)現(xiàn)P92鋼具有強烈的脆硬敏感性和冷裂紋傾向，而且由于合金含量高、金屬熔池黏度高、流動性差，焊接操作和工藝不當容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋和層間未熔合焊接缺陷。根據(jù)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》、DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢驗技術規(guī)程》、DL/T 821—2017《金屬熔化焊對接接頭射線檢測技術和質(zhì)量分級》和NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》規(guī)程規(guī)定，焊縫金屬中允許存在一定尺度范圍的氣孔、夾渣缺陷，但是不允許存在裂紋和未熔合缺陷。由于工程中，P92鋼大多使用在厚壁管道、容器，超聲波檢測技術決定了無法確定缺陷性質(zhì)。特別是文獻[3]發(fā)現(xiàn)P92鋼存在短小型的熱裂紋，由于裂紋形態(tài)小以及超聲波檢測到裂紋時反射波波形尖銳，造成反射波最高點定位困難，容易造成缺陷漏判或誤判。因此在工程中發(fā)現(xiàn)缺陷時，對缺陷通過宏觀觀察和實驗室條件下分析，確定缺陷的類型、產(chǎn)生原因，對提高P92鋼焊接質(zhì)量、改進焊接工藝、提高焊接操作技能都具有積極的意義。

2 檢驗情況

某電廠660 MW超超臨界機組鍋爐型號為SG-2037/26.15-M6010，由上海鍋爐有限公司自行設計制造。鍋爐主蒸汽管道、再熱蒸汽管道材質(zhì)為P92。鍋爐安裝單位、安裝監(jiān)理單位資質(zhì)齊全，基建期間主蒸汽、再熱蒸汽管道焊縫超聲波檢測驗收標準是DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢測技術規(guī)程》。

按照機組定期檢驗安排，該廠于2018年5月開展2號機組鍋爐投產(chǎn)后的首次內(nèi)部檢驗(此時2號機組運行約5400 h)。內(nèi)檢時發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道和再熱蒸汽管道焊縫不合率較高，為了徹底消除安全隱患，該廠對2號機組主蒸汽和再熱蒸汽管道焊縫進行全面普查，對其他管道焊縫擴大檢查。檢查結果是主蒸汽管道2道焊縫不合格、再熱熱段管道22道焊縫不合格，屏式過熱器至高溫過熱器連接管道1道焊縫不合格。其中主蒸汽管道不合格焊縫材質(zhì)為P92(SA335-P92，以下相同)，規(guī)格為ID298×75 mm；再熱熱段管道不合格焊縫材質(zhì)為P92，規(guī)格為ID591×37 mm的18道，規(guī)格為ID838×51 mm的3道，規(guī)格為ID593×59 mm的1道；屏式過熱器至高溫過熱器連接管不合格焊縫材質(zhì)為P91(SA335-P91)，規(guī)格為Φ508×75 mm。

本文擬以上述工程實例為對象，通過對焊縫進行機械環(huán)切觀察和取樣試樣實驗室分析，確定不合格焊縫缺陷的性質(zhì)，從而找出缺陷產(chǎn)生的原因，為焊縫修復質(zhì)量控制措施提供依據(jù)。

3 焊縫缺陷分析

為掌握焊縫缺陷的性質(zhì)、形態(tài)及分布，對再熱器熱段焊縫WA-04(規(guī)格ID591×37 mm、材質(zhì)A335P92、實測壁厚40 mm)進行機械環(huán)切觀察。同時對相控陣檢測回波聲壓值較大(回波聲壓值最大為SL+15.8 dB)且超聲波檢測顯示，斷續(xù)整周缺陷的再熱熱段管道WA-04號焊縫取樣進行顯微分析。

3.1 焊縫金屬機械環(huán)切過程缺陷觀察

對WA-04焊縫整體機械環(huán)切，每次進刀量為1 mm后進行宏觀及TV檢測并記錄缺陷。整周環(huán)切至30 mm、局部用角向角磨機打磨至33 mm，所發(fā)現(xiàn)缺陷均為氣孔和夾渣，單個氣孔最大直徑為1 mm、夾渣最大長度為3 mm。

焊縫定位見圖1，缺陷在焊縫中分布見圖2。

3.2 焊縫金屬試樣實驗室分析

3.2.1 試驗宏觀觀察

對缺陷試樣宏觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，試樣上存在2處密集型氣孔和獨立分布的單個大氣孔(如圖3所示)，密集氣孔大小、深淺不一，單個分布氣孔直徑約1.5 mm。

3.2.2 焊縫金屬光譜檢驗

采用半定量光譜儀檢測焊縫試樣主要元素含量，檢測結果如表1所示。

表1 焊縫光譜檢驗主要化學元素成分 %

3.2.3 試樣金屬硬度檢驗

對該試樣進行布氏硬度檢驗，結果如表2所示。發(fā)現(xiàn)焊縫硬度超過了280 HB，根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬監(jiān)督規(guī)程》，P92焊縫硬度值在185～270 HB之間，略高于標準要求上限。

表2 試樣布氏硬度值 HB

3.2.4 試樣光學顯微鏡觀察

根據(jù)宏觀檢查結果，對密集型氣孔位置取樣，進行金相觀察取樣位置的50倍金相整體組織形貌如圖4所示。

通過光學顯微鏡下觀察，可以看到所取試樣分為3個區(qū)域，氣孔存在于2個區(qū)域。其一類氣孔存在于焊縫熔合線附近的熱影響區(qū)與焊縫中,這個區(qū)域的氣孔均屬密集氣孔，氣孔呈規(guī)則圓形、橢圓或半圓形；其二類氣孔存在于焊縫中，與密集氣孔無直接聯(lián)系，氣孔尺寸直徑較大，約1.5 mm。另外在單個分布的氣孔邊緣存在疑似微裂紋，其形貌如圖5所示。

3.2.5 試樣電鏡觀察

在掃描電鏡下觀察疑似微裂紋形貌，如圖6所示。位于氣孔邊緣，并延伸至氣孔內(nèi)部。根據(jù)尖端夾渣形態(tài)，判定未發(fā)生過擴展。

3.3 缺陷性質(zhì)與產(chǎn)生原因

通過對不合格焊縫缺陷的機械解剖分析結果以及實驗室分析結果，確定缺陷的性質(zhì)為氣孔、夾渣以及微觀熱裂紋。通過氣孔、夾渣產(chǎn)生的機理以及微觀熱裂紋未出現(xiàn)擴展可以確定焊縫中缺陷產(chǎn)生的原因是基建期間安裝遺留的，非機組運行中產(chǎn)生。

4 修復質(zhì)量控制措施

4.1 缺陷挖除工藝的改進

所有超標缺陷焊縫采用整體環(huán)切的方式消除缺陷，環(huán)切深度為保留原焊縫厚度10 mm，10 mm以內(nèi)的缺陷采用局部挖除的辦法消除，缺陷挖除深度較無損檢測報告檢測出的缺陷深度加深3 mm。缺陷挖除過程中如發(fā)現(xiàn)無損檢測報告之外的滲透檢測缺陷或可見缺陷，應將缺陷挖除干凈，焊縫環(huán)切寬度必須保證原焊縫熱影響區(qū)切除(焊縫熔合線往母材方向加3 mm)。

4.2 焊材及焊接工藝的改進

a.考慮到焊縫修復不同于新焊縫的焊接，并且原焊縫細小缺陷較多，因此必須要求焊材成分均勻性好，因此將焊材更換為蒂森品牌的鐵芯過渡焊材。

b.由于熱電偶測溫位置為距離坡口約1倍壁厚處，加上坡口位置保溫包扎不嚴。造成熱處理儀上預熱溫度顯示200 ℃時，坡口內(nèi)實際溫度只有80～120 ℃。而按照DL/T 869—2018《火力發(fā)電廠焊接技術規(guī)程》規(guī)定預熱溫度為200～250 ℃，氬弧焊打底時可以降低50 ℃。P92鋼鐵水十分濃稠、流動性差，預熱溫度較低造成焊縫中氣孔和焊渣無法浮出而保留在焊縫形成氣孔和夾渣缺陷。因此本次焊接修復工程中將預熱溫度提高到300 ℃并加強了坡口處保溫的包扎，焊接一層后又將預熱溫度調(diào)到200 ℃，避免因焊接層間溫度超過250 ℃而造成焊縫組織粗大的情況。如此當熱處理儀顯示溫度達到300 ℃時，坡口處實際溫度均在180～210 ℃。

c.首層不采用焊條電弧焊，使用氬弧焊對局部挖除區(qū)域補焊平整，然后再使用氬弧焊對焊縫整周進行薄層堆焊，堆焊厚度小于1.5 mm。最后再使用焊條電弧焊進行全面補焊，補焊過程中嚴格控制層間溫度和確保焊條紅尾必須更換。

4.3 工藝執(zhí)行監(jiān)督及驗收標準改進

為了確保焊縫修復質(zhì)量，成立了“缺陷焊縫修復質(zhì)量控制小組”，對修復過程質(zhì)量控制措施、工藝執(zhí)行情況、驗收標準等步驟進行嚴格控制。

a.修復施工前質(zhì)量控制小組確認管系及管系支吊架固定牢固，方可進行缺陷環(huán)切消除工作，避免出現(xiàn)管系位移造成管系斷裂的問題。

b.缺陷焊縫挖除干凈后必須經(jīng)過質(zhì)量控制小組確認方可進行下一步工序。

c.所有參與焊縫修復的焊工必須經(jīng)過試焊接合格方可參與修復工程，對試焊接不合格的焊工不允許參與修復工程。

d.質(zhì)量控制小組人員在施工前對焊工、熱處理工進行焊接工藝、熱處理工藝技術交底。

e.質(zhì)量控制小組確認預熱溫度達到標準值方可開始焊接作業(yè)，焊接過程中質(zhì)量控制小組成員會不定時抽查層間溫度和焊工更換焊條情況(避免出現(xiàn)焊條紅尾繼續(xù)使用)。

f.所有修復焊縫的熱處理工藝卡均根據(jù)母材硬度情況單獨制定，對恒溫溫度、升降溫速度在滿足標準的前提下進行了調(diào)整。確保在盡可能保護母材的前提下確保焊縫硬度合格。

g.由于機組投產(chǎn)后的日常監(jiān)督檢驗均必須執(zhí)行TSG G0001—2012的規(guī)定，且管道厚度≥6～40 mm時，DL/T 820—2002《管道焊接接頭超聲波檢測技術規(guī)程》標準要較寬松。所以本工程中所有焊縫超聲波檢測驗收標準采用NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測規(guī)程》標準。

5 結束語

通過試驗可以清楚確認該廠不合格焊縫缺陷類型是氣孔、夾渣和裂紋等操作性和工藝性缺陷。本工程自2018年7月16日根據(jù)試驗結論所采取的焊縫修復質(zhì)量控制措施，實現(xiàn)了全部P92/91材質(zhì)焊縫在8月3日前完成修復工作，并順利通過三方檢測驗收。所有焊縫均一次焊接合格，熱處理后母材、焊縫及熱影響區(qū)硬度全部合格，且母材硬度值下降幅度在3 HB以內(nèi)。整個修復工程質(zhì)量得到了很好的控制，確保了機組在規(guī)定期限內(nèi)得以恢復運行。