1 000 MW機組高溫再熱器HR3C滑塊焊縫開裂分析及處理

王海梅， 高 鵬

(華電國際鄒縣發(fā)電廠， 山東鄒城 273522)

近年來，能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，促使發(fā)展高效清潔的超超臨界機組成為熱門研究方向。由于超超臨界機組鍋爐蒸汽的溫度和壓力較高，對耐熱鋼材料的要求隨之提高，HR3C(ASME SA-213—2010 《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》中對應(yīng)的牌號為TP310HCbN，GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中對應(yīng)的牌號為07Cr25Ni21NbN)耐熱鋼(簡稱HR3C鋼)作為超超臨界鍋爐常用材料，其抗高溫腐蝕和抗高溫蒸汽氧化性能較好，已被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐。

隨著機組長期運行下負(fù)荷變化產(chǎn)生沖擊和材料老化，HR3C鋼失效爆管事故時有發(fā)生，行業(yè)內(nèi)部研究分析HR3C鋼作為高溫再熱器(簡稱高再)管材，服役42 000 h后晶界處形成連續(xù)片狀的M23C6會造成晶界脆化[1]。隨著運行時間延長，HR3C鋼發(fā)生明顯的時效脆化[2]，沖擊韌性大幅降低，管材沿晶界區(qū)域易產(chǎn)生沿晶脆性裂紋[3]，造成鍋爐受熱面失效爆管，嚴(yán)重威脅火電機組安全穩(wěn)定運行。

1 案例及現(xiàn)場檢查情況

2019年10月5日，某電廠1 000 MW超超臨界機組鍋爐水壓試驗過程中發(fā)現(xiàn)水平煙道高再的HR3C鋼管和滑塊焊接的管側(cè)熔合線附近焊縫(簡稱HR3C滑塊焊縫)有6處滲水(見圖1)。

圖1 高再中間層滑塊滲水

高再共有98片管屏，每片管屏由12根管子繞成U形構(gòu)成，爐內(nèi)部分外3圈材質(zhì)為HR3C鋼，其余內(nèi)9圈材質(zhì)為SUPER304H鋼，管子直徑為50.8 mm、壁厚為3.2 mm，每片管屏有3層滑塊，滑塊厚度為7mm，材質(zhì)為309不銹鋼。高再管路結(jié)構(gòu)及焊縫裂紋位置見圖2。

圖2 高再管路結(jié)構(gòu)及焊縫裂紋位置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況對高再滑塊進(jìn)行擴大檢查后，發(fā)現(xiàn)高再第2層滑塊焊縫共有135處存在裂紋，經(jīng)打磨消除82處裂紋，對另外53處進(jìn)行了換管；高再第1層滑塊及第3層滑塊抽檢未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖3為高再管排滑塊連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 高再管排滑塊連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖4為高再滑塊裂紋檢查情況。

圖4 高再滑塊裂紋檢查情況

除此之外，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)水平煙道積灰嚴(yán)重，且積灰中存有大量焦塊，結(jié)焦最高處接近頂棚，高再部分滑塊存在脫開或斷裂現(xiàn)象，管子彎曲變形，說明水平煙道高再區(qū)域積灰結(jié)焦限制了高再管排的上下膨脹，增加了拘束應(yīng)力。

2 樣管試驗內(nèi)容及結(jié)果

在1號管、2號管裂紋附近母材管取化學(xué)成分試樣，試樣編號為1-F、2-F；在1號管、2號管裂紋附近母材管取環(huán)狀橫截面金相及硬度試樣，試樣編號為1-J1、2-J1，在每個試樣上間隔90°取1個測試點，分別記為測點1～4；在1號管滑塊附近母材管取室溫及高溫拉伸試樣，試樣編號為1-LS、1-LG；在1號管、2號管垂直裂紋方向取裂紋金相及硬度試樣，試樣編號為1-J2、2-J2。

2.1 宏觀滲透檢測

將缺陷管段滑塊焊縫位置進(jìn)行滲透檢測(PT)，發(fā)現(xiàn)滑塊一端的焊縫熔合區(qū)母材管上存在裂紋(見圖5)。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，在滑塊與母管的焊縫上，沿焊縫的一條縱向熔合線處形成焊接結(jié)構(gòu)間隙。

圖5 滑塊焊縫PT照片

2.2 化學(xué)成分分析

缺陷管化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

表1中還列出了ASME SA-213—2010對TP310HCbN鋼化學(xué)成分的要求。由表1可以看出：2種母材管取樣化學(xué)元素含量符合ASME SA-213—2010的要求。

2.3 力學(xué)性能測試

硬度測試在環(huán)狀樣管的金相磨面進(jìn)行，管段不同位置硬度測試結(jié)果見表2。表2中還列出了ASME SA-213—2010對TP310HCbN鋼硬度的要求。由表2可以看出：2種母材試樣橫截面硬度符合SA-213—2010的要求。

表3為1號管取樣室溫及高溫(500 ℃)拉伸試驗結(jié)果。表3中還列出了ASME SA-213—2010及GB/T 5310—2017對HR3C鋼相應(yīng)力學(xué)性能要求。由表3可以看出：室溫和高溫下母材的抗拉強度和屈服強度滿足ASME SA-213—2010及GB/T 5310—2017的要求，但室溫下該管材的延伸率僅為15%，顯著低于上述2個標(biāo)準(zhǔn)對其延伸率的要求。

表2 母材管取樣硬度檢驗結(jié)果

表3 拉伸性能測試結(jié)果

2.4 金相檢驗

圖6為1-J1、2-J1試樣橫截面金相檢驗結(jié)果。試樣的金相組織為奧氏體+孿晶+碳化物，晶粒度為2.5～3.5級，符合ASME SA-213—2010規(guī)定(晶粒度為7級或更粗)及GB/T 5310—2017規(guī)定(晶粒度為2～7級，級差不超過3級)。

圖6 橫截面金相組織

圖7為1-J2、2-J2試樣拋光態(tài)下裂紋整體形貌，主裂紋基本沿管子壁厚方向擴展，裂紋在外壁側(cè)開口大于內(nèi)壁側(cè)。

圖7 拋光態(tài)裂紋整體形貌

圖8為1-J2、2-J2試樣浸蝕態(tài)裂紋微觀形貌，2個試樣裂紋均沿熔合線外側(cè)處開裂，以沿晶方式向管內(nèi)壁側(cè)擴展。

圖8 浸蝕態(tài)裂紋微觀形貌

3 分析與討論

通過對失效管段進(jìn)行各項理化性能檢驗，并結(jié)合現(xiàn)場檢查情況，對檢驗結(jié)果進(jìn)行匯總分析：

(1) HR3C滑塊焊縫裂紋管段母材管化學(xué)成分符合ASME SA-213—2010對TP310HCbN鋼化學(xué)成分的要求，可排除母材管化學(xué)成分因素導(dǎo)致裂紋的可能性。

(2) 室溫和高溫下1號管母材的抗拉強度和屈服強度滿足ASME SA-213—2010及GB/T 5310—2017的要求，但室溫下管材的延伸率僅為15%，顯著低于上述2個標(biāo)準(zhǔn)對其延伸率≥30%的要求。HR3C鋼為高Cr含量和高Ni含量的奧氏體耐熱鋼，高溫服役過程會沿晶界析出M23C6等碳化物，且在晶界呈薄膜狀分布；在晶粒變形時，晶界碳化物阻礙了塑性變形的傳遞，引起材料脆化，使得晶界產(chǎn)生較高的集中應(yīng)力，易引發(fā)裂紋在晶界萌生并擴展[4]。

(3) 焊接滑塊的1號、2號管母材的取樣金相組織均為奧氏體+孿晶+晶界薄膜狀碳化物，晶粒度為2.5～3.5級，滿足ASME SA-213—2010及GB/T 5310—2017的規(guī)定。管段內(nèi)壁未見有直道、軋折、微裂紋等缺陷。

(4) 滑塊焊縫裂紋管段裂紋位置取樣檢測顯示為典型的沿晶擴展形貌。焊縫及熔合區(qū)未見有其他裂紋、夾渣、未熔合等焊接缺陷。

(5) 高再區(qū)域異常積灰、結(jié)焦，使高再管排向下膨脹受阻，增加了管子焊口及滑塊焊縫區(qū)域的附加應(yīng)力。

綜上可以看出，HR3C滑塊焊縫裂紋的原因為HR3C鋼長期運行后材料本身脆化，在多種應(yīng)力的作用下形成的焊縫裂紋。HR3C滑塊焊縫裂紋的應(yīng)力可能來自管排晃動產(chǎn)生的應(yīng)力，以及同一管排內(nèi)各管之間膨脹與變形、汽水振動、水平煙道結(jié)焦等引起的應(yīng)力等，滑塊與母管之間形成的焊接結(jié)構(gòu)間隙顯著增大了應(yīng)力集中程度。在管段本身的脆化及應(yīng)力作用下，最終導(dǎo)致了滑塊部位焊縫裂紋。

4 改造措施

基于上述結(jié)果分析與討論，提出了以下措施：

(1) 鑒于HR3C鋼和滑塊焊接結(jié)構(gòu)上的特殊性，完全消除焊接結(jié)構(gòu)間隙的難度較大，應(yīng)采取優(yōu)化結(jié)構(gòu)或提高焊接質(zhì)量，盡量減少焊縫結(jié)構(gòu)間隙，降低接頭的應(yīng)力集中程度?？蓪⒏咴俟芷粱瑝K固定結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化改造為弧形管夾固定方式，能有效降低同一管排內(nèi)各管之間的膨脹應(yīng)力與變形應(yīng)力。

(2) 控制鍋爐的啟停速率，嚴(yán)格按照規(guī)程執(zhí)行，防止?fàn)t管溫度的劇烈變化加劇管段的膨脹應(yīng)力、汽水振動引起的管排振動等。

(3) 對燃煤進(jìn)行合理摻燒，細(xì)化燃燒調(diào)整，避免水平煙道結(jié)焦，可加裝壓縮空氣風(fēng)帽定期對水平煙道清灰。

5 結(jié)語

通過上述分析，得出如下結(jié)論：

(1) HR3C鋼經(jīng)高溫運行后具有明顯脆化的特性，延伸率大幅降低。

(2) HR3C滑塊焊縫開裂的主要原因為材料本身脆化，焊縫在管排晃動、同一管排內(nèi)各管之間膨脹與變形、汽水振動、水平煙道結(jié)焦等引起的多種應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了裂紋，而滑塊與母材管之間形成的焊接結(jié)構(gòu)間隙顯著增大了應(yīng)力集中程度。