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]。當前我國已有多臺采用二次再熱技術(shù)的大容量超超臨界燃煤機組成功投產(chǎn)，其主蒸汽參數(shù)多采用32 MPa/610 ℃。受限于主輔機設(shè)備制造成本，蒸汽再熱次數(shù)不宜超過2次，未來火電機組效率進一步提升的空間，主要存在于采用更高的蒸汽初參數(shù)方面，這對電站鍋爐受熱面材料提出了更高的要求[6-10]。

我國于2010年成立了“國家700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，旨在提高我國超超臨界機組的技術(shù)水平，實現(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)能減排開辟新路徑[11-14]。2021年，中國華能集團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 ℃超超臨界機組高溫材料及其部件制備創(chuàng)新聯(lián)合體”，推動自主開發(fā)的HT650及HT700系列高溫材料實現(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)多年實驗室研究，綜合性能優(yōu)異，順利應(yīng)用于華能瑞金電廠二期擴建工程2臺1 000 MW超超臨界二次再熱機組中。鍋爐一次再熱高溫再熱器采用了3根新材料管，以對HT700T高溫合金進行真實工況的全負荷考驗。機組實際運行過程中，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，對泄漏管段進行了取樣，開展了多項檢測，認為HT700T材料時效化傾向顯著，焊接接頭在運行過程中有韌性時效弱化傾向，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HT700T新材料的焊接方案，以提高焊接接頭的性能，保證未來700 ℃級電站鍋爐受熱面的安全運行。

1 機組概況

1.1 鍋爐簡介

華能瑞金電廠二期擴建工程計劃建設(shè)了2臺1 000 MW等級的超超臨界二次再熱機組，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)計參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

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

1.2 受熱面布置

爐膛上部沿著煙氣流動方向依次分別布置有低溫過熱器、高溫過熱器、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)計有43片管屏，自爐左向爐右進行編號。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 爆管過程與原因分析

機組開始168 h滿負荷試運后第3日，DCS畫面爐管泄漏出現(xiàn)報警提示，報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)試及運行等多家單位人員反復(fù)多次就地檢查，未聽到爐內(nèi)明顯異音。后續(xù)幾日報警點由2個逐步增加至4個，最后達到8個，爐膛內(nèi)泄漏聲也越來越明顯，已可斷定鍋爐發(fā)生爆管，初期輕微漏點已經(jīng)惡化成顯著裂口。經(jīng)討論后機組降負荷至700 MW，堅持運行至168 h試運結(jié)束。

鍋爐停運冷卻后，檢修人員進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，如圖2所示。

圖2 一次再熱高溫再熱器斷管

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

2.1 檢測與分析

出現(xiàn)焊接接頭開裂的2根HT700T管，規(guī)格為Φ60 mm×7 mm，采用的焊材為Thermanit617(ERNiCrCoMo-1)。調(diào)取一次高溫再熱器168 h滿負荷試運行期間壁溫曲線，第33屏第1、2、3、7、11、15根管設(shè)有壁溫測點，其溫度為601.1～619.5 ℃。整個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，短管長約140 mm，編為1號管，斷口無塑性變形，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)擴展，焊縫成形較差，打底焊層塌陷，底部凸起較高，推測焊接時保護氣體覆蓋不足，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號管斷口表面形貌

2號管段為擴大檢查發(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(見圖4)，探傷發(fā)現(xiàn)熔合線處1/3圈存在裂紋，切開后觀察內(nèi)壁，確認熔合線處存在裂紋。打開裂紋進行斷口觀察，黑色是原始斷口，白色是檢測打開的新斷口(見圖5)。從圖4可知，原始裂紋已貫穿壁厚的3/4。

圖4 2號管焊接接頭外觀

圖5 2號管內(nèi)部裂紋形貌

2.1.2 性能試驗

在2號管上取樣進行母材和焊接接頭的拉伸試驗，試樣為瓦片狀，測試結(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號管上取樣進行母材和焊接接頭沖擊試驗，試樣為5 mm×10 mm×55 mm，試驗結(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 沖擊試驗結(jié)果 J/cm2

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

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

表6 硬度試驗結(jié)果(HV10)

2.1.3 金相分析

從1號管斷面上取樣進行金相分析，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，裂紋末端進入焊縫，裂紋沿晶界擴展。熱影響區(qū)組織為等軸晶奧氏體，晶粒度1～6級。

圖6 1號管焊接接頭裂紋金相組織

圖7 1號管焊接接頭左側(cè)裂紋處金相組織

圖8 1號管焊接接頭右側(cè)裂紋金相組織

2號管焊接接頭裂紋斷面平行于熔合線(見圖9)，沿晶界擴展，金相組織如圖10所示。母材組織為奧氏體，晶粒度1～5級，存在0級晶粒。

圖9 2號管焊接接頭裂紋斷面

圖10 2號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號管斷面微觀形貌

圖12 2號管斷面微觀形貌

用能譜儀對1號試樣裂紋內(nèi)部及其附近區(qū)域進行化學成分分析，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。

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

1號管焊接接頭焊縫余高超標，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張，最終導(dǎo)致斷裂。2號管焊接接頭內(nèi)有未貫穿的裂紋存在，由此說明焊接接頭在運行過程中有韌性時效弱化傾向。建議研發(fā)單位開展HT700T材料焊接接頭專項性能試驗，以提高其韌性，改善其應(yīng)用性能。

4 結(jié) 語

多項研究表面，HT700T高溫合金本身具有良好的性能，未來有望應(yīng)用于700 ℃級超超臨界燃煤機組電站鍋爐。但在機組實際工況考驗下，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，說明針對新材料特性的研究還需進一步完善，適應(yīng)新材料特點的焊接工藝方案還需進一步改進，以提高HT700T材料焊接接頭的強度與韌性，滿足未來700 ℃級電站鍋爐受熱面的安全運行需求。