魯忠科

(華能威海電廠，山東 威海 264205)

1 概述

華能威海電廠6號機(jī)組采用哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-2001/26.15-YM3型超超臨界直流鍋爐及上海汽輪機(jī)廠和上海電機(jī)廠生產(chǎn)的680 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組，于2010-12-31完成168 h試運(yùn)行，移交給電廠試生產(chǎn)。機(jī)組運(yùn)行4個月(約2 976 h)后，于2011-05-01開始進(jìn)行首次C級消缺性檢修。在金屬監(jiān)督檢查中發(fā)現(xiàn)，鍋爐甲、乙側(cè)主蒸汽管道水壓堵頭過渡直管段焊縫熱影響區(qū)均產(chǎn)生環(huán)向裂紋。主蒸汽管道規(guī)格為Φ457×85 mm，材質(zhì)為SA-335P92。具體結(jié)構(gòu)和裂紋位置如圖1所示。

該過渡直管段管材質(zhì)為P92鋼，規(guī)格：Φ457×85 mm。現(xiàn)場進(jìn)行該彎頭的壁厚和材質(zhì)確認(rèn)，具體如表1(記錄管段編號與圖1.b相同)所示；采用里氏硬度計檢測結(jié)果如表2所示。

表1 彎頭壁厚和材質(zhì)

表2 硬度結(jié)果

裂紋緊鄰熔合區(qū)產(chǎn)生并沿熔合區(qū)斷續(xù)分布于整個圓周，最深處約5 mm?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，主蒸汽管道水壓堵頭焊縫打磨消除不徹底，殘留在管材上的焊縫高度為1.5～2.5 mm，寬度為70～100 mm。

2 原因分析

2.1 P92鋼的特性

P92鋼是日本開發(fā)的一種新型耐熱鋼，是在P91鋼的基礎(chǔ)上，以W取代部分Mo而形成的新鋼種，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼材化學(xué)成分如表3所示，現(xiàn)場檢測管材的主要合金元素基本在標(biāo)準(zhǔn)成分范圍內(nèi)。檢測堵頭焊縫的成分，主要合金元素基本為P92鋼的焊材，焊接材料為Thermanit MTS 616，其化學(xué)成分如表4所示。根據(jù)P92鋼的化學(xué)成分，P92鋼屬于馬氏體型的耐熱鋼，焊接這類鋼的主要問題有：焊接冷裂紋、焊接接頭脆化和軟化區(qū)IV裂紋等問題。然而國內(nèi)在幾年前發(fā)現(xiàn)P92鋼在埋弧焊焊縫中有大量的表面細(xì)小裂紋產(chǎn)生，而且產(chǎn)生表面裂紋的幾率非常高，對裂紋產(chǎn)生機(jī)理仍處于探索和研究階段。

表3 SA213T92/SA335P92化學(xué)成分

表4 焊接材料的化學(xué)成分

2.2 裂紋原因分析

(1) 從6號爐主蒸汽管道裂紋產(chǎn)生位置來看，該裂紋性質(zhì)不屬于細(xì)小裂紋的類型，裂紋產(chǎn)生于緊鄰焊縫熔合區(qū)的粗晶區(qū)。根據(jù)目前對P92鋼的研究結(jié)果，該區(qū)域晶粒粗大，韌性較差。因熔合區(qū)焊址處的應(yīng)力集中，同時受到較大的焊接應(yīng)力，容易引起焊接冷裂紋，但冷裂紋的發(fā)展在這種情況下主要呈連續(xù)分布。

根據(jù)鋼材的化學(xué)成分，P92鋼含有多量的析出強(qiáng)化元素，在較高應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生再熱裂紋。由于裂紋沿圓周呈斷續(xù)分布，且堵頭焊接時焊縫較寬，因此焊后殘余應(yīng)力較高，同時考慮堵頭的坡口形狀，其內(nèi)坡口根部將產(chǎn)生很大應(yīng)力集中。若坡口根部存在焊接質(zhì)量問題或成型不良，其應(yīng)力集中還會增大，在隨后的熱處理過程中，會引起粗晶區(qū)產(chǎn)生裂紋并沿焊址應(yīng)力集中處分布。此外在彎頭與管段焊接時，因焊縫收縮會對該部位形成拉應(yīng)力，在安裝焊接接頭的熱處理過程中，堵頭焊接區(qū)也將同時受到再次熱處理，而且塑性變形將會主要集中在壁厚較薄的管段區(qū)，引起原始裂紋沿焊址應(yīng)力集中位置擴(kuò)展，形成了整個圓周方向分布的斷續(xù)裂紋。因此，認(rèn)為該裂紋屬于再熱裂紋的可能性比較大。

(2) 由于再熱裂紋屬于蠕變損傷造成，同時根據(jù)壁厚的測試結(jié)果，在甲、乙側(cè)安裝焊縫存在壁厚不等引起的錯邊問題，需擇機(jī)更換裂紋產(chǎn)生處的直管段，管段長度不應(yīng)小于500 mm?？紤]到新投產(chǎn)機(jī)組1年后有1次檢修工期，如果本次從管段的準(zhǔn)備到焊接實(shí)施有困難，可先對缺陷進(jìn)行修復(fù)，并盡快做好更換準(zhǔn)備工作。

(3) 水壓堵頭焊接資料，未找到水壓堵頭焊后熱處理曲線。水壓堵頭焊后未及時進(jìn)行熱處理也有可能造成堵頭過渡直管段(P92鋼材)表面存在再熱裂紋缺陷。割除水壓堵頭后，未對過渡直管段進(jìn)行檢查驗(yàn)收，便直接安裝彎頭，恢復(fù)主蒸汽系統(tǒng)管道，也是造成本次裂紋的重要原因之一。

3 裂紋修復(fù)措施

(1) 采用角向磨光機(jī)將裂紋清除，坡口面表面光滑；打磨兩焊縫之間管段，使其露出金屬光澤，并檢查安裝焊縫焊趾處，將該處溝槽修磨圓滑。

(2) 利用磁粉探傷技術(shù)，保證裂紋清除干凈，要求焊縫之間的管段、安裝焊縫焊趾位置一同進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)無裂紋存在。

(3) 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T 869—2004，《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》DL/T 819—2002。

(4) 焊工和熱處理工需持相應(yīng)資質(zhì)證和上崗證。

(5) 焊接前采用電阻加熱方法先將焊接處預(yù)熱至200～250 ℃，預(yù)熱溫升速度≤70 ℃/h?？紤]到補(bǔ)焊等原因，預(yù)熱恒溫時間為2 h，并保持焊接層間溫度不超過250 ℃。

(6) 采用焊條電弧焊，直流焊機(jī)。選用Thermanit MTS 616，規(guī)格為Φ2.5的焊條。焊接前，按焊條說明書要求，對焊條進(jìn)行2 h溫度為300～350 ℃的烘干，放入100 ℃保溫桶中帶入現(xiàn)場。

(7) 焊接規(guī)范：焊接電流80～100 A；電壓20～24 V，直流反接。

(8) 采用多道多層焊接，焊條不做橫向擺動，重新引弧時要清理弧坑并將焊渣清理干凈。

(9) 焊縫表面與母材圓滑過渡，接頭表面不得有咬邊、尖角溝槽等缺陷。

(10) 焊接完成且焊工自檢合格后，溫度降至90～110 ℃并保溫1 h，然后升溫進(jìn)行熱處理，熱處理曲線如圖5所示。按照P92鋼焊接熱處理工藝導(dǎo)則，760 ℃需恒溫時間為4～6 h。考慮到焊縫補(bǔ)焊深度約5 mm，根據(jù)補(bǔ)焊的實(shí)際情況，760 ℃的恒溫時間改為2 h。減少恒溫時間，避免母材的機(jī)械性能發(fā)生變化。

(11) 熱處理完成后，打磨焊縫表面，進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，確認(rèn)無裂紋。對焊縫及母材做硬度檢測，硬度為190～200 HB，符合P92鋼質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 預(yù)防措施

(1) 運(yùn)行中加強(qiáng)巡檢，發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道存在泄漏現(xiàn)象時，立刻進(jìn)行停機(jī)消缺。

(2) 由供應(yīng)部門負(fù)責(zé)主蒸汽管道直管段的備品準(zhǔn)備，檢修部門隨時做好更換裂紋直管段的準(zhǔn)備。有停爐機(jī)會時，根據(jù)停爐時間更換裂紋直管段，確保機(jī)組不帶隱患運(yùn)行。

(3) 由基建辦負(fù)責(zé)復(fù)檢鍋爐廠進(jìn)口P92鋼管道的商檢報告，確認(rèn)該管道來源和材質(zhì)。對材料有疑問時更換較長的直管段。

(4) 檢修部門從裂紋直管段向爐后方向進(jìn)行測厚和硬度普查，發(fā)現(xiàn)厚度超過制造偏差時，應(yīng)及時指明位置；硬度超標(biāo)時，應(yīng)查明原因及時消除。

(5) 責(zé)任部門建立并完善的“四大”管道臺賬，對發(fā)現(xiàn)及處理的問題做好記錄，便于追溯。

(6) 對機(jī)組“四大”管道焊口、彎頭、大小頭、三通焊縫結(jié)合機(jī)組檢修，提前安排普查。對于三通焊縫加工件和鍋爐廠管道備件焊縫，如果加工時未進(jìn)行熱處理，而是在加工件集中后進(jìn)行熱處理的，都不能保證熱處理效果，很可存在個別焊縫硬度超標(biāo)或投產(chǎn)后短期內(nèi)就發(fā)生焊縫表面裂紋現(xiàn)象。這類加工件應(yīng)列為重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，通過普查及時發(fā)現(xiàn)并徹底消除“四大”管道及其管件存在的隱患。