700 ℃級(jí)電站鍋爐用HT700T高溫合金管焊接接頭斷裂失效研究

王 林，楊 博，高景輝，趙景濤，劉 輝，王紅雨

(西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

提高蒸汽初參數(shù)，降低蒸汽終參數(shù)，采用蒸汽再熱循環(huán)是提高蒸汽朗肯循環(huán)效率的主要方法[1-5]。當(dāng)前我國(guó)已有多臺(tái)采用二次再熱技術(shù)的大容量超超臨界燃煤機(jī)組成功投產(chǎn)，其主蒸汽參數(shù)多采用32 MPa/610 ℃。受限于主輔機(jī)設(shè)備制造成本，蒸汽再熱次數(shù)不宜超過(guò)2次，未來(lái)火電機(jī)組效率進(jìn)一步提升的空間，主要存在于采用更高的蒸汽初參數(shù)方面，這對(duì)電站鍋爐受熱面材料提出了更高的要求[6-10]。

我國(guó)于2010年成立了“國(guó)家700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，旨在提高我國(guó)超超臨界機(jī)組的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的自主化，為電力行業(yè)的節(jié)能減排開(kāi)辟新路徑[11-14]。2021年，中國(guó)華能集團(tuán)有限公司所屬西安熱工研究院有限公司聯(lián)合行業(yè)內(nèi)高校企業(yè)，牽頭成立了的“650 ℃超超臨界機(jī)組高溫材料及其部件制備創(chuàng)新聯(lián)合體”，推動(dòng)自主開(kāi)發(fā)的HT650及HT700系列高溫材料實(shí)現(xiàn)工程化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[15-17]。其中新型鎳鐵基高溫合金HT700T材料經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)室研究，綜合性能優(yōu)異，順利應(yīng)用于華能瑞金電廠二期擴(kuò)建工程2臺(tái)1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組中。鍋爐一次再熱高溫再熱器采用了3根新材料管，以對(duì)HT700T高溫合金進(jìn)行真實(shí)工況的全負(fù)荷考驗(yàn)。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，一次高溫再熱器發(fā)生泄漏，一根新材料管焊接接頭完全斷裂，另一根新材料管焊接接頭內(nèi)存在貫穿3/4壁厚的大裂紋。為分析材料失效原因，對(duì)泄漏管段進(jìn)行了取樣，開(kāi)展了多項(xiàng)檢測(cè)，認(rèn)為HT700T材料時(shí)效化傾向顯著，焊接接頭在運(yùn)行過(guò)程中有韌性時(shí)效弱化傾向，在熔合線應(yīng)力集中處易產(chǎn)生裂紋[18-25]。建議后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)HT700T新材料的焊接方案，以提高焊接接頭的性能，保證未來(lái)700 ℃級(jí)電站鍋爐受熱面的安全運(yùn)行。

1 機(jī)組概況

1.1 鍋爐簡(jiǎn)介

華能瑞金電廠二期擴(kuò)建工程計(jì)劃建設(shè)了2臺(tái)1 000 MW等級(jí)的超超臨界二次再熱機(jī)組，工程選用了上海鍋爐廠生產(chǎn)制造的SG-2983/32.14-M7054型超超臨界壓力直流鍋爐，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐外形為塔式爐，以切圓方式組織燃燒，共配置6套冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，點(diǎn)火裝置選用了等離子高能點(diǎn)火器。

1.2 受熱面布置

爐膛上部沿著煙氣流動(dòng)方向依次分別布置有低溫過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器、一二次高溫再熱器、一二次低溫再熱器、主省煤器。鍋爐上部的爐內(nèi)受熱面全部為水平布置，具有自疏水特性。受熱面在爐膛中的具體布置情況如圖1所示。

圖1 鍋爐受熱面布置圖

鍋爐一次再熱高溫再熱器共設(shè)計(jì)有43片管屏，自爐左向爐右進(jìn)行編號(hào)。每片管屏上有15根管子。第33屏外圈有3根管材質(zhì)為新型高溫合金HT700T，其余管子材質(zhì)信息如表2所示。

表2 一次再熱高溫再熱器材質(zhì)

2 爆管過(guò)程與原因分析

機(jī)組開(kāi)始168 h滿負(fù)荷試運(yùn)后第3日，DCS畫(huà)面爐管泄漏出現(xiàn)報(bào)警提示，報(bào)警傳感器位置在鍋爐95 m，一次高溫再熱器區(qū)域。電建、調(diào)試及運(yùn)行等多家單位人員反復(fù)多次就地檢查，未聽(tīng)到爐內(nèi)明顯異音。后續(xù)幾日?qǐng)?bào)警點(diǎn)由2個(gè)逐步增加至4個(gè)，最后達(dá)到8個(gè)，爐膛內(nèi)泄漏聲也越來(lái)越明顯，已可斷定鍋爐發(fā)生爆管，初期輕微漏點(diǎn)已經(jīng)惡化成顯著裂口。經(jīng)討論后機(jī)組降負(fù)荷至700 MW，堅(jiān)持運(yùn)行至168 h試運(yùn)結(jié)束。

鍋爐停運(yùn)冷卻后，檢修人員進(jìn)入爐膛檢查爆管情況，一次再熱高溫再熱器33屏外圈一根管子沿焊接接頭完全斷開(kāi)，如圖2所示。

圖2 一次再熱高溫再熱器斷管

經(jīng)核實(shí)確認(rèn)，斷裂管焊接接頭兩側(cè)均為HT700T材質(zhì)，對(duì)相鄰的另外兩根新材料管進(jìn)行擴(kuò)大檢查，發(fā)現(xiàn)其中一根管焊接接頭熔合線區(qū)域存在肉眼可見(jiàn)裂紋。將兩根開(kāi)裂管焊接接頭位置分別取樣編號(hào)，進(jìn)行分析檢測(cè)。

2.1 檢測(cè)與分析

出現(xiàn)焊接接頭開(kāi)裂的2根HT700T管，規(guī)格為Φ60 mm×7 mm，采用的焊材為T(mén)hermanit617(ERNiCrCoMo-1)。調(diào)取一次高溫再熱器168 h滿負(fù)荷試運(yùn)行期間壁溫曲線，第33屏第1、2、3、7、11、15根管設(shè)有壁溫測(cè)點(diǎn)，其溫度為601.1～619.5 ℃。整個(gè)一次再熱高溫再熱器最高壁溫出現(xiàn)在第10屏第15根管，為628.5 ℃。發(fā)生泄漏的管子未有超溫記錄。

2.1.1 宏觀形貌檢查

取樣的兩段管子，短管長(zhǎng)約140 mm，編為1號(hào)管，斷口無(wú)塑性變形，為脆性斷裂，目視檢查斷裂沿焊縫熔合線和平行于熔合線的熱影響區(qū)擴(kuò)展，焊縫成形較差，打底焊層塌陷，底部凸起較高，推測(cè)焊接時(shí)保護(hù)氣體覆蓋不足，導(dǎo)致焊縫部分區(qū)域發(fā)生氧化。其斷口具體形貌如圖3所示。

圖3 1號(hào)管斷口表面形貌

2號(hào)管段為擴(kuò)大檢查發(fā)現(xiàn)接頭裂紋的HT700T管子。該管段外壁未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷(見(jiàn)圖4)，探傷發(fā)現(xiàn)熔合線處1/3圈存在裂紋，切開(kāi)后觀察內(nèi)壁，確認(rèn)熔合線處存在裂紋。打開(kāi)裂紋進(jìn)行斷口觀察，黑色是原始斷口，白色是檢測(cè)打開(kāi)的新斷口(見(jiàn)圖5)。從圖4可知，原始裂紋已貫穿壁厚的3/4。

圖4 2號(hào)管焊接接頭外觀

圖5 2號(hào)管內(nèi)部裂紋形貌

2.1.2 性能試驗(yàn)

在2號(hào)管上取樣進(jìn)行母材和焊接接頭的拉伸試驗(yàn)，試樣為瓦片狀，測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 母材拉伸性能

表4 焊接接頭拉伸性能 MPa

在2號(hào)管上取樣進(jìn)行母材和焊接接頭沖擊試驗(yàn)，試樣為5 mm×10 mm×55 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，母材、焊縫、熱影響區(qū)的沖擊性能差別不大。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J/cm2

從2號(hào)管母材取樣按照《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管GB/T 5310—2017》的要求進(jìn)行壓扁試驗(yàn)。試樣表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，壓扁性能合格。

在1號(hào)管上取樣進(jìn)行母材、焊縫合熱影響區(qū)硬度檢測(cè)，結(jié)果如表6所示。焊縫硬度相對(duì)最低，熱影響區(qū)硬度相對(duì)最高。

表6 硬度試驗(yàn)結(jié)果(HV10)

2.1.3 金相分析

從1號(hào)管斷面上取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖6所示。斷裂面位于平行于熔合線的熱影響區(qū)，同時(shí)焊縫左右兩側(cè)熔合線處各存在一條裂紋(如圖7、圖8所示)，靠近斷面的裂紋深度較大，裂紋末端進(jìn)入焊縫，裂紋沿晶界擴(kuò)展。熱影響區(qū)組織為等軸晶奧氏體，晶粒度1～6級(jí)。

圖6 1號(hào)管焊接接頭裂紋金相組織

圖7 1號(hào)管焊接接頭左側(cè)裂紋處金相組織

圖8 1號(hào)管焊接接頭右側(cè)裂紋金相組織

2號(hào)管焊接接頭裂紋斷面平行于熔合線(見(jiàn)圖9)，沿晶界擴(kuò)展，金相組織如圖10所示。母材組織為奧氏體，晶粒度1～5級(jí)，存在0級(jí)晶粒。

圖9 2號(hào)管焊接接頭裂紋斷面

圖10 2號(hào)管焊接接頭裂紋斷面金相

2.1.4 掃描電鏡及能譜分析

在兩段取樣管上分別進(jìn)行斷口掃描電鏡觀察，斷口均呈現(xiàn)冰糖狀沿晶脆性斷裂特征，如圖11、圖12所示。

圖11 1號(hào)管斷面微觀形貌

圖12 2號(hào)管斷面微觀形貌

用能譜儀對(duì)1號(hào)試樣裂紋內(nèi)部及其附近區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣位置如圖13所示，分析結(jié)果如表7所示。裂紋內(nèi)部存在高Ni析出物，裂紋附近晶界和晶粒內(nèi)部成分與基體相當(dāng)。

圖13 能譜分析取樣區(qū)域

表7 能譜分析結(jié)果 %

3 分析與討論

根據(jù)試驗(yàn)所得拉伸、沖擊和硬度數(shù)據(jù)，母材的屈服及抗拉強(qiáng)度較高，與西安熱工院材料手冊(cè)中時(shí)效態(tài)原材料的測(cè)試數(shù)據(jù)一致，反應(yīng)出母材的時(shí)效化傾向顯著，已基本完成了從固溶態(tài)向時(shí)效態(tài)的轉(zhuǎn)變。焊接接頭熔合線附近熱影響區(qū)的硬度相對(duì)最高，焊接接頭的韌性指標(biāo)下降明顯。

1號(hào)管焊接接頭焊縫余高超標(biāo)，存在應(yīng)力集中區(qū)，在交變應(yīng)力作用下由根部沿焊接接頭最薄弱處向外擴(kuò)張，最終導(dǎo)致斷裂。2號(hào)管焊接接頭內(nèi)有未貫穿的裂紋存在，由此說(shuō)明焊接接頭在運(yùn)行過(guò)程中有韌性時(shí)效弱化傾向。建議研發(fā)單位開(kāi)展HT700T材料焊接接頭專項(xiàng)性能試驗(yàn)，以提高其韌性，改善其應(yīng)用性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

多項(xiàng)研究表面，HT700T高溫合金本身具有良好的性能，未來(lái)有望應(yīng)用于700 ℃級(jí)超超臨界燃煤機(jī)組電站鍋爐。但在機(jī)組實(shí)際工況考驗(yàn)下，一次高溫再熱器3根新材料管中，有2根的焊接接頭出現(xiàn)了裂紋，發(fā)生了泄漏，說(shuō)明針對(duì)新材料特性的研究還需進(jìn)一步完善，適應(yīng)新材料特點(diǎn)的焊接工藝方案還需進(jìn)一步改進(jìn)，以提高HT700T材料焊接接頭的強(qiáng)度與韌性，滿足未來(lái)700 ℃級(jí)電站鍋爐受熱面的安全運(yùn)行需求。