600 MW 超臨界火電機(jī)組P91 材質(zhì)再熱蒸汽管道局部硬度低原因分析及缺陷處理

陳自力

（福建福能股份有限公司 福建福州 350003）

0 引言

SA-335P91 鋼是1 種綜合性能優(yōu)異的新型馬氏體鋼材。SA-335P91 鋼由于其優(yōu)良的導(dǎo)熱性、高溫耐久強(qiáng)度、抗氧化性、焊接性記憶沖擊韌性、熱膨脹系數(shù)［1-6］，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的超（超）臨界火電機(jī)組中，已成為目前電站高溫蒸汽管道系統(tǒng)中的主流材料。SA-335P91鋼在高溫高壓工況下運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間后，金相組織、顯微結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化。除此之外，SA-335P91 鋼在焊接后熱處理中，如溫度控制不當(dāng)、超溫過(guò)久可致部分馬氏體轉(zhuǎn)化的奧氏體組織在后續(xù)降溫中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，也就形成了回火馬氏體、回火索氏體和塊狀鐵素體，大大降低了材料的硬度，造成管件的硬度不均勻，局部硬度偏低［7］，由此形成的缺陷可能在機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生安全生產(chǎn)事件。

SA-335P91 鋼中內(nèi)部具有較多的合金元素，使其在服役過(guò)程中沿著馬氏體板條晶界和邊界處析出大量的M23C6［8］，這種顯微組織的改變往往帶來(lái)材料力學(xué)性能的變化。而材料力學(xué)性能的變化往往會(huì)體現(xiàn)在材料硬度上，所以通過(guò)硬度檢測(cè)可達(dá)到間接評(píng)價(jià)SA-335P91 鋼材質(zhì)管道力學(xué)性能、安全性能的目的。

1 概況

某電站600 MW 機(jī)組燃煤發(fā)電機(jī)組自2011 年投入商業(yè)運(yùn)行至今，#2 鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)π 型鍋爐，型號(hào)為HG-1962/25.4-YM3。

2020 年初，該電站2C 修根據(jù)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》（DL/T 438—2016）開(kāi)展金屬監(jiān)督檢驗(yàn)，對(duì)2 號(hào)機(jī)組6.9 m 層再熱蒸汽管段H56 對(duì)接接頭及鄰近母材進(jìn)行里氏硬度檢測(cè)、金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)#2 機(jī)組再熱蒸汽母管H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度偏低，且金相檢驗(yàn)顯示為回火馬氏體，老化3.5 級(jí)，屬中度老化至完全老化。該電站再熱蒸汽母管的材質(zhì)為SA-335P91，規(guī)格為?706×28（DI648×26），設(shè)計(jì)壓力為5.33 MPa，設(shè)計(jì)溫度為574 ℃。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

發(fā)現(xiàn)2 號(hào)機(jī)組再熱蒸汽管段H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度偏離標(biāo)準(zhǔn)值，其余受檢部位硬度值均符合DL/T 438—2016 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，詳見(jiàn)表1。

表1 試樣里氏硬度測(cè)試報(bào)告

因H56 對(duì)接接頭及進(jìn)汽側(cè)母材硬度偏低，為進(jìn)一步確定其顯微組織是否發(fā)生發(fā)生變化，對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：H56 對(duì)接接頭及進(jìn)汽側(cè)母材硬度低處金相組織均為回火馬氏體，老化3.5 級(jí)，屬中度老化至完全老化，不符合DL/T 438-2016 要求，詳見(jiàn)表2。

表2 金相試驗(yàn)報(bào)告

鑒于現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式硬度計(jì)對(duì)受檢位置進(jìn)行硬度檢測(cè)，該檢測(cè)方式的結(jié)果可能因檢測(cè)人員操作方式、儀器狀態(tài)等情況而顯示出不同結(jié)果。因此，嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn)，該電站常駐第三方無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)H56 進(jìn)行了硬度復(fù)測(cè)。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：H56 對(duì)接接頭及兩側(cè)熱影響區(qū)硬度值偏低，不符合材料牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)硬度值范圍，詳見(jiàn)表3。

表3 第三方無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)里氏硬度測(cè)試報(bào)告

綜上，該電站#2 機(jī)組再熱蒸汽母管H56 焊口局部硬度偏低，且金相檢驗(yàn)顯示為回火馬氏體，老化3.5 級(jí)，屬中度老化至完全老化。由于低硬度P91 鋼管件組織穩(wěn)定性較差，持久強(qiáng)度下降幅度較大，不利于機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，《超（超）臨界機(jī)組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1161—2012）［9］規(guī)定：對(duì)于硬度低于160HBW 的P91（F91）鋼直管段、管件，應(yīng)擇機(jī)進(jìn)行更換。為保證機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，該電站決定對(duì)該缺陷進(jìn)行徹底消除。

圖1 再熱蒸汽管道（6.9 m 層）硬度、金相測(cè)點(diǎn)示意圖

3 原因分析

P91 鋼是通過(guò)正火+回火熱處理?xiàng)l件下獲得板條馬氏體組織，在馬氏體板條內(nèi)分布著高密度的位錯(cuò)，同時(shí)在原奧氏體晶界和馬氏體板條界面處分布了M23C6第二相，馬氏體板條內(nèi)沉淀析出細(xì)小的MX 相。通過(guò)固溶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化、彌散析出強(qiáng)化、細(xì)晶界面強(qiáng)化等多種強(qiáng)化機(jī)制共同作用，使得P91 鋼獲得良好的高溫性能［10］。

一般情況下，P91 材質(zhì)的熱處理工藝為+1 040～1 070 ℃，正火+750～780 ℃回火，后冷卻至室溫，得到的組織在顯微狀態(tài)下是馬氏體結(jié)構(gòu)組織。

由表2 可以看出，H56 進(jìn)汽側(cè)局部母材回火馬氏體沒(méi)有明顯晶界，屬非典型的回火索氏體組織，馬氏體位向完全消失，塊狀混合體且碳化物分散，索氏體密度不足。H56 對(duì)接接頭局部有一定的回火馬氏體位向，但是其內(nèi)部索氏體密度分布不足，是老化傾向嚴(yán)重的組織狀態(tài)表現(xiàn)。

根據(jù)表1、表3 可知，該再熱蒸汽母管H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度低且分布不均勻，同時(shí)在局部硬度低的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了老化趨勢(shì)，經(jīng)分析，判斷是基建安裝熱處理時(shí)溫度控制不佳，導(dǎo)致局部溫度過(guò)高導(dǎo)致的。

依據(jù)圖2，分析再熱蒸汽母管H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度低處在熱處理時(shí)溫度超過(guò)相變點(diǎn)Ac，并且在Ac1點(diǎn)以上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，馬氏體組織部分分解為奧氏體組織，并在后續(xù)溫降中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，所形成的常溫狀態(tài)下的回火索氏體、回火馬氏體，導(dǎo)致再熱蒸汽母管母材局部硬度低、硬度不均勻。

圖2 T/P91 鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）

4 缺陷處理

4.1 缺陷處理方案

《超（超）臨界機(jī)組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 1161—2012）［9］規(guī)定：對(duì)于硬度低于160HBW的P91（F91）鋼直管段、管件，應(yīng)擇機(jī)進(jìn)行更換。為保證機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，該電站決定對(duì)該缺陷進(jìn)行徹底消除，更換h54-h57 再熱蒸汽母管管段。

該電站利用2020 年10 月初#2 機(jī)組調(diào)停期間，對(duì)h54、H55、H56、h57 鄰近母材進(jìn)行硬度復(fù)測(cè)及方案制定。根據(jù)硬度檢測(cè)結(jié)果，確定對(duì)再熱蒸汽母管h54-h57 之間的管段進(jìn)行更換。

4.2 缺陷處理工程量

由于原h(huán)54-H55 之間是1 個(gè)8°非標(biāo)彎頭（彎管），h54 與H55 兩道對(duì)接接頭外弧距離僅有350 mm、內(nèi)弧距離僅有200 mm，不符合《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 869—2012）［11］4.1.1.2 規(guī)定：同管道公稱直徑＞500 mm時(shí)，同管道2 個(gè)對(duì)接焊口間距離≥500 mm。因此，該電站決定利用新管材進(jìn)行彎制，詳見(jiàn)圖3，直管規(guī)格參數(shù)：L=4 630 mm（一端為8°彎管：R=1944，A=50），既可使得歷史遺留問(wèn)題得到解決，同時(shí)減少再熱蒸汽母管該類(lèi)高溫高壓管道對(duì)接接頭數(shù)量，減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量，進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)組及再熱蒸汽管道運(yùn)行安全性。

圖3 h54-H56 直管段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪圖

原H55-H56 直管段上有2 處接管座，詳見(jiàn)圖4，分別是低旁預(yù)暖管道接管座（材質(zhì)：SA-335P91，規(guī)格：?89×60×6）、#2 機(jī)組#1 中聯(lián)門(mén)前疏水管道接管座（材質(zhì)：SA-335 P91，規(guī)格：?208×168×76×30）。由于接管座現(xiàn)場(chǎng)焊接、熱處理?xiàng)l件有限，較易產(chǎn)生缺陷，因此該電站考慮在廠家處進(jìn)行焊接、熱處理及無(wú)損檢測(cè)工作。

圖4 原H55-H56 直管段兩處接管座測(cè)繪圖

原H56-h57 是1 個(gè)非標(biāo)90°彎頭，彎曲半徑較大且壁厚較厚，詳見(jiàn)圖5，彎頭規(guī)格參數(shù)：?706×28（DI648×26），90°彎頭，R=1143，A=100。因此，該電站考慮在廠家處進(jìn)行彎制、熱處理及無(wú)損檢測(cè)工作。

圖5 原H56-h57 非標(biāo)90°彎頭測(cè)繪圖

綜上，為消除該電站H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度低的缺陷，需采購(gòu)SA-335P91 鋼材質(zhì)備件：

（1）鍛制直管規(guī)格參數(shù)：L=4 630 mm（一端為8°彎管：R=1 944，A=50），該管段一體鍛制，無(wú)任何對(duì)焊接頭。

（2）接管座1 規(guī)格參數(shù)：?89×60×6，接管座1 后需附焊材質(zhì)為A335 P91 的?60×5 管道L=500 mm。

（3）接管座2 規(guī)格參數(shù)：?208×168×76×30，接管座2后需附焊材質(zhì)為A335 P91 的?76×6 管道L=500 mm。

（4）鍛制彎頭規(guī)格參數(shù)：90°彎頭，R=1 143，A=100，該彎頭一體鍛制彎制，無(wú)任何對(duì)焊接頭。

出廠前，廠家需施工及標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）對(duì)鍛制直管一段進(jìn)行彎制，要求彎制出8°彎管：R=1944，A=50。

（2）接管座1、接管座2 在圖4 所示焊接位置，按《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》（DL/T 836—2012）執(zhí)行焊接工作。

（3）所有接頭焊接工作的焊接工藝按《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》（DL/T 868—2014）執(zhí)行。

（4）按《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》（DL/T 819—2019）執(zhí)行熱處理工作，且進(jìn)行熱處理后，為保證電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及安全裕量，要求出廠合金鋼管（件）母材硬度滿足220～240 HB，焊縫及角焊縫硬度滿足220～240 HB。

消缺過(guò)程中，電站現(xiàn)場(chǎng)工程量：①原h(huán)54-h57 間管段切除。②按相關(guān)規(guī)范驗(yàn)收新管段、管件，并吊裝到位。③H54、H56、H57 現(xiàn)場(chǎng)施焊、熱處理、無(wú)損檢測(cè)。④2 處接管座與對(duì)應(yīng)支管現(xiàn)場(chǎng)施焊、熱處理、無(wú)損檢測(cè)。⑤對(duì)支吊架進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。⑥報(bào)送特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)重大修理監(jiān)檢，并取得監(jiān)檢報(bào)告。

4.3 缺陷處理實(shí)施與管控

考慮到再熱蒸汽母管材質(zhì)、位置及尺寸的特殊性，缺陷消除過(guò)程需進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量把控：

（1）現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)排查確認(rèn)：利用2021 年#2 機(jī)組擴(kuò)大性C 修期間，根據(jù)#2 機(jī)再熱熱段H56 對(duì)接接頭及鄰近母材的現(xiàn)場(chǎng)位置、材質(zhì)及規(guī)格設(shè)計(jì)資料，對(duì)涉及#2 機(jī)再熱熱段H56 對(duì)接接頭及鄰近母材的材質(zhì)、管道材質(zhì)、結(jié)構(gòu)進(jìn)行全部排查，對(duì)材質(zhì)及規(guī)格的吻合性進(jìn)行確認(rèn)。

（2）焊接材料準(zhǔn)備：選擇德國(guó)蒂森公司生產(chǎn)的P91鋼專用焊材：AWS ER90S-B9 焊絲和AWS E9015-B9 焊條，規(guī)格分別為Φ2.4 和Φ3.2，焊材符合德國(guó)AWS 5.28、AWS 5.5 標(biāo)準(zhǔn)。焊條在使用前應(yīng)按其說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行烘焙。氬弧焊用的電極為鈰鎢極，所用氬氣純度≥99.99%。

（3）實(shí)施前檢驗(yàn)：對(duì)到貨管道、管件及準(zhǔn)備與到貨材料對(duì)接的管道母材進(jìn)行光譜、硬度、厚度、金相、表面等無(wú)損檢測(cè)，確認(rèn)滿足要求。根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果，制定焊接工藝卡與熱處理工藝卡。

（4）人員準(zhǔn)備：選擇P91 鋼熟練焊工作為施焊人員，并按照DL/T 679—2012 規(guī)定參加焊工技術(shù)考核合格。

（5）舊管切除：采用機(jī)械環(huán)切機(jī)環(huán)切方式對(duì)再熱蒸汽母管h54-h57 之間的管段進(jìn)行切割，同時(shí)打好坡口。環(huán)切前將管系固定，待焊接結(jié)束且支吊架調(diào)整結(jié)束后再拆除固定材料。

（6）坡口檢測(cè)：根據(jù)DL/T 869—2014 要求制備坡口，確認(rèn)表面無(wú)缺陷后進(jìn)行方可進(jìn)行后續(xù)焊接工作。

（7）再熱蒸汽母管對(duì)接接頭施焊前準(zhǔn)備。①對(duì)口前檢查：坡口附近母材15～20 mm 范圍內(nèi)的外壁表面質(zhì)量狀況、坡口處的母材狀況、坡口尺寸，以上項(xiàng)目達(dá)到DL/T 869—2014 要求后方可進(jìn)入對(duì)口階段。②充氬氣室制作：使用水溶紙對(duì)在管道內(nèi)部進(jìn)行封堵，使待焊接頭兩側(cè)管道形成密閉氣室。③對(duì)口：將新舊管段、管件同軸放置，使新管段、管件內(nèi)壁與舊管段、管件內(nèi)壁平齊，錯(cuò)邊量符合DL/T 869—2012 要求。④充氬：充氬前，應(yīng)用耐高溫金屬膠帶將坡口密閉，使用氣針充氬一段時(shí)間后，驗(yàn)證氬氣保護(hù)充分后方可施焊。

（8）預(yù)熱及后熱：焊前預(yù)熱溫度150～200 ℃，層間焊接溫度控制在200～250 ℃。當(dāng)由氬弧焊轉(zhuǎn)為焊條電弧焊時(shí)，中間必須進(jìn)行再次升溫至200～250 ℃。焊接完成后立即進(jìn)行后熱，后熱溫度300～350 ℃、后熱時(shí)間2 h，焊前預(yù)熱及焊后后熱曲線如圖6 所示。

圖6 焊前預(yù)熱曲線

（9）再熱蒸汽母管對(duì)接接頭焊接實(shí)施：①嚴(yán)格執(zhí)行一道口一焊接工藝卡一熱處理工藝卡，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)人員、材料、參數(shù)一一對(duì)應(yīng)，確保細(xì)節(jié)、工藝落到實(shí)處，杜絕因把關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致焊接質(zhì)量不佳等問(wèn)題出現(xiàn)。②氬弧焊打底：氬弧焊打底采用ER90S-B9，按照制定的P91 焊接工藝施焊，層間溫度控制在200～250 ℃之間。打底應(yīng)保證根部焊透，且焊縫金屬凸出尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。③填充及蓋面：填充及蓋面采用E9015-B9 焊條，焊接工藝按照制定的P91 鋼焊接工藝卡中的規(guī)定執(zhí)行，采用多層多道薄層焊，嚴(yán)格控制熱輸入量、焊道寬度及厚度。注意焊道的分布及收弧位置的排列，防止局部超溫。

（10）焊接完成、自檢合格后，按照DL/T 819—2010標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，焊后熱處理工藝曲線如圖7 所示。熱處理工藝要求包括：①對(duì)接接頭處的焊后熱處理恒溫溫度為750～770 ℃，恒溫時(shí)間和升降溫速度根據(jù)實(shí)際管道的尺寸確定。焊后溫度冷卻至80～100 ℃時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行1～2 h的恒溫處理，確保馬氏體轉(zhuǎn)變完成。②當(dāng)焊接接頭不能及時(shí)進(jìn)行熱處理，應(yīng)于焊后立即做300～350 ℃、恒溫2 h的后熱處理。③焊后熱處理采用2～4 支熱電偶控溫，熱電偶應(yīng)牢固固定于待處理對(duì)接接頭處。④加熱寬度和保溫寬度應(yīng)保證對(duì)接接頭升至預(yù)定溫度。⑤熱處理過(guò)程中應(yīng)密切關(guān)注兩側(cè)母材溫度，防止再熱蒸汽母管母材產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象。⑥熱處理過(guò)程中，應(yīng)做好管系的相關(guān)固定工作，防止管系應(yīng)力導(dǎo)致對(duì)接接頭處應(yīng)力過(guò)大。

圖7 焊后熱處理工藝曲線

（11）焊接質(zhì)量檢驗(yàn)：再熱蒸汽母管對(duì)接接頭焊接完成24 h 后進(jìn)行100%磁粉檢測(cè)、100%超聲波探傷、100%硬度檢測(cè)和金相組織抽檢。如檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)對(duì)焊口進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)處理，同一位置返修次數(shù)不得超過(guò)1 次。

（12）經(jīng)第三方無(wú)損檢測(cè)單位檢測(cè)，該電站再熱蒸汽母管H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度低缺陷得到了消除，部分無(wú)損檢測(cè)報(bào)告見(jiàn)圖8～9。

圖8 H54、H56、H57 修后超聲波檢測(cè)報(bào)告

圖9 H54、H56、H57 修后硬度檢測(cè)報(bào)告

5 結(jié)論

（1）經(jīng)分析，再熱蒸汽管道H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度及金相組織異常的原因是安裝時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)熱處理把控不嚴(yán)，部分區(qū)域過(guò)長(zhǎng)時(shí)間超溫、受熱不均勻，導(dǎo)致部分區(qū)域金相組織異常、硬度偏低。

（2）鑒于再熱蒸汽管道H56 對(duì)接接頭及鄰近母材局部硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求、金相組織異常，為保障機(jī)組的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)存在缺陷的再熱蒸汽管道管段進(jìn)行更換處理。

（3）采用合格的材料、焊接工藝、熱處理工藝可以完成對(duì)新?lián)Q再熱蒸汽管道的焊接，焊接后無(wú)損檢測(cè)結(jié)果合格。

致謝：感謝公司及部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷與指導(dǎo)讓我擁有這個(gè)工作經(jīng)驗(yàn)和機(jī)會(huì)完成此論文分析，感謝班組成員分擔(dān)我手頭的工作，讓我有時(shí)間完成本論文編寫(xiě)。