關(guān)于火電廠在役機(jī)組管道焊口返修的探討-鄒德安

1、關(guān)于火電廠在役機(jī)組管道焊口返修的探討鄒德安1 蒙殿武2 朱孝軍3（1大唐集團(tuán)安評專家組2大唐呂四發(fā)電廠3大唐淮北發(fā)電廠）摘 要:某電廠對660MW超超臨界機(jī)組P91/P92主蒸汽管道、高溫再熱汽管道及鍋爐聯(lián)箱焊縫在運(yùn)行10000h后UT探傷發(fā)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)組有23道焊口焊縫金屬存在缺陷,進(jìn)行挖補(bǔ)。雖然無損探傷合格了，焊接接頭的機(jī)械性能和壽命卻受到了很大損害。關(guān)鍵詞：厚壁管挖補(bǔ)； 性能壽命； 受到損害1.問題的提出某電廠對660MW超超臨界機(jī)組P91/P92主蒸汽管道（631×103、438×73）高溫再熱汽管道（908×44、705×32）及鍋爐聯(lián)箱焊縫運(yùn)行1

2、0000h后檢查，UT探傷發(fā)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)組有23道焊口焊縫金屬存在一些缺欠或缺陷。從檢驗(yàn)報(bào)告看，均為單個(gè)、分散的缺欠或缺陷，未發(fā)現(xiàn)連續(xù)的面積型缺陷。這些缺欠或缺陷幾乎都是焊道間和焊道邊緣夾渣。日前，電廠以總價(jià)260萬元的價(jià)格對23道焊口進(jìn)行了返修。返修采用車削挖去大部分焊縫金屬，在原坡口內(nèi)重新堆焊。由于擔(dān)心管道斷開后管道磁化嚴(yán)重，退磁困難而無法焊接，焊縫金屬根部保留十多mm或30-40mm不等。有的返修不合格又二次返修，即在同一位置反復(fù)2-3次進(jìn)行焊接和焊后熱處理。見表1。表1 管道焊縫超標(biāo)缺陷處理方案序號系統(tǒng)名稱規(guī)格缺陷深度(mm)水平位置(mm)指示長度(mm)材料處理方案1后屏過熱器出口集箱

3、中間環(huán)焊縫610×120 mm實(shí)測厚度118mm27-98A+12、 A+28B+8、B+285-25P92整圈挖深1102末級過熱器進(jìn)口集箱中間環(huán)焊縫559×100 mm23-76A+6、A+28B+14、B+305-20P92整圈挖深853鍋爐9層爐前側(cè)主蒸汽管道大三通上邊的彎頭處(WA-03)438X73mm25.5-60焊縫中央焊縫中央偏左3mm焊縫中央偏右5mm10-25P92整圈60mm49層爐右再熱蒸汽熱段管道出大罩殼第1道焊口（H2）環(huán)焊縫711×45 mm實(shí)測厚度41 mm8.2-30焊縫中央偏左3-5mm焊縫中央偏右5mm10P91整圈挖深30

4、59層爐右再熱蒸汽熱段管道出大罩殼第2道焊口（H1）的環(huán)焊縫711×45 mm實(shí)測厚度41 mm25焊縫中央12P91局部挖深306末級再熱器出口集箱中間環(huán)焊縫711×45 mm14.3焊縫邊緣10P91局部挖深18 7末級再熱器出口集箱（最左側(cè)靠近大罩殼左墻的環(huán)焊縫）711×45 mm12.2-28焊縫中央焊縫中央偏右5mm10P91整圈實(shí)際挖31mm8過熱器一級減溫器噴水管上游環(huán)焊縫457×75 mm實(shí)測厚度70 mm33-54.3焊縫中央偏后7mm焊縫中央偏前413mm101215CrMo局部挖深609過熱器二級減溫器噴水管上游環(huán)焊縫508

5、5;70 mm實(shí)測厚度67 mm14.8焊縫中央偏右5mm10P91局部挖深2510過熱器三級減溫器噴水管上游環(huán)焊縫610×110 mm實(shí)測厚度99 mm24.8-56.8焊縫中央偏右15mm1015P91局部挖深5711低溫再熱蒸汽管道焊口號#5711×28 mm實(shí)測厚度28 mm19-20B+19560A691Cr.11/4CrCl22局部挖深2012主蒸汽管道焊口號WA-14438×73 mm實(shí)測壁厚75/76mm25-635、28512P92整圈挖深6313高旁管道焊口號#2369×62 mm實(shí)測壁厚63/64mm26-31A+10、A+2051

6、0P92整圈挖深4214高旁管道焊口號#6349×57 mm實(shí)測壁厚58/59mm27-42A+12、A+35520P92整圈挖深 43mm15高旁管道焊口號#10349×57 mm實(shí)測壁厚58/59mm36-43A+20、A+465P92整圈挖深4516高旁管道焊口號#5349×57 mm實(shí)測壁厚58/59mm20-35B+24、B+255P92局部挖深度27、38、23 17高旁管道焊口號#8349×57 mm實(shí)測壁厚58/59mm24-40A+15、A+20B+10、B+255P92整圈挖深4518主蒸汽管道焊口號#66(第二個(gè)三通支管焊口)438

7、×73 mm實(shí)測壁厚74/75mm18-55B+5、B+30515P92整圈挖深5519主蒸汽管道焊口號WB-15631×103mm實(shí)測壁厚106mm22-96B+5、B+35513P92整圈挖深9620主蒸汽管道焊口號#50（第一個(gè)三通主管）631×103mm28-42-1030、-535位置5P92整圈挖深6621主蒸汽管道焊口號#54（第一個(gè)三通支管焊口）438×73mm20呈圓周布置5P92整圈挖深52（二次返修）22主蒸汽管道焊口號#2（WA-02）438×73mmMax63呈圓周布置5P92整周實(shí)際挖深71mm（二次返修）23再熱蒸

8、汽管道焊口號#44996×44mm13-43整周分布512P92整圈挖深36（二次返修）返修后，雖然無損探傷合格了，焊接接頭的機(jī)械性能和壽命卻受到了很大損害。這種損害包括保留焊縫金屬機(jī)械性能的降低，熱影響區(qū)的擴(kuò)大并進(jìn)一步降低機(jī)械性能，拉爾森-米勒參數(shù)值的累積，殘余應(yīng)力的增加和管道長度的減少而改變管系的補(bǔ)償值等。這一做法的合理性值得商榷。2.討論2.1返修的合理性對于大口徑厚壁管道，這種單個(gè)、分散的缺欠或缺陷對焊接接頭的連續(xù)性雖有影響，但由于其截面總和與焊縫截面之比微乎其微，對焊縫的承載力影響極小。未發(fā)現(xiàn)有早期失效的報(bào)道。歷史上發(fā)生過的管道焊口失效多為熱影響區(qū)母材或焊縫金屬蛻化所致。【

9、1】未發(fā)生材質(zhì)蛻化的焊口缺陷，甚至不允許缺陷，尺寸超標(biāo)很多倍，有的缺陷截面總和與焊縫截面之比將近一半運(yùn)行十幾萬小時(shí)也大部分只發(fā)生缺陷發(fā)展，極少發(fā)生泄漏的部位也是運(yùn)行條件很差。【2】P91/P92馬氏體耐熱鋼管道發(fā)生過的事故一般都是原材料缺陷所致。也就是說，只要材料的斷裂韌性不發(fā)生大幅度降低，一般是不會(huì)發(fā)生早期失效，尤其是脆性斷裂的。【3】 對于在役機(jī)組管道焊縫抽查，火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程DLT 438-2009第7.2.3.3 b)規(guī)定：焊縫的無損探傷抽查依據(jù)安裝焊縫的檢驗(yàn)記錄選取，對于缺陷較嚴(yán)重的焊縫，每次A級檢修或B級檢修應(yīng)進(jìn)行無損探傷復(fù)查?；鹆Πl(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DLT869-2012

10、第8.1.4 規(guī)定：對于比較重大的事故和缺陷的修復(fù)，應(yīng)該進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性分析。并未要求“不合格”即返修。之所以如此，是因?yàn)樵谝蹤C(jī)組與安裝階段有很大的不同。例如管道，安裝時(shí)焊接完成最后一道“冷緊口”（冷緊值是設(shè)計(jì)院根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程計(jì)算得出的）之后，各種型號的支吊架就把管系各個(gè)位置的坐標(biāo)固定了。重新焊接就改變了坐標(biāo)。這種返修在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的可行性看不出有什么合理性。2.2返修后焊接接頭的機(jī)械性能和壽命受到損害。P91/P92同屬馬氏體耐熱鋼，其標(biāo)準(zhǔn)號為ASME SA335 P91、P92 ，目前在我國應(yīng)用在300-1000MW亞臨界、超臨界、超超臨界機(jī)組的主蒸汽、再熱蒸汽熱段管道、過熱器及再熱器

11、連箱。是常溫機(jī)械性能和熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性兼具的優(yōu)良耐熱鋼?；瘜W(xué)成分及常溫機(jī)械性能見表2、表3。表2 P91、P92鋼的化學(xué)成分%鋼號CMnPSSiCrMoWVNNiNbAlBP910.080.120.300.600.020.010.200.508.009.500.851.050.180.250.030.070.040.04P920.07 0.130.30.600.020.010.50 8.509.50 0.300.601.52.00.150.250.030.070.040.040.090.040.0010.006表3 P91、P92鋼的常溫機(jī)械性能鋼號屈服極限0.2(MPa)抗拉強(qiáng)度b(MPa)

12、延伸率5(%)硬度（HB）P9141558520250P9244062020250之所以性能優(yōu)良，是通過正火可得到馬氏體組織，正火態(tài)板條馬氏體經(jīng)高溫回火后，回復(fù)為破碎的、晶粒細(xì)小的回火馬氏體。既具有馬氏體的強(qiáng)化效果,又因馬氏體高溫回復(fù)形成的亞穩(wěn)態(tài)多邊形結(jié)構(gòu)可抵抗Ac1相變點(diǎn)以下高溫的長時(shí)間作用。在同一位置反復(fù)3次進(jìn)行焊接和焊后熱處理使焊縫金屬和母材熱影響區(qū)常溫機(jī)械性能和熱強(qiáng)性都受到損害，不再具有優(yōu)良的性能。2.2.1保留焊縫金屬的組織與性能下降采用手工電弧焊焊接P91、P92鋼，焊縫是溫度極高的熔融狀態(tài)冷卻下來的鑄造組織，不可能獲得極細(xì)顆粒彌散析出的Nb、V碳氮化合物和高度細(xì)化的晶粒，即不具備

13、細(xì)晶強(qiáng)韌化的條件。相反，由于熔池金屬的高溫停留以及快速的凝固冷卻，熔敷金屬中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金屬中，不僅難以細(xì)化晶粒、韌化焊縫，反而通過固溶強(qiáng)化而降低焊縫韌性。t85對焊縫韌性有顯著影響。研究表明所有熱循環(huán)條件下，試樣的韌性都隨著t 85的增加而降低，經(jīng)過二次熱循環(huán)后，韌性值還要降低，且隨二次熱循環(huán)峰值溫度的減小，韌性降低幅度增大。因此P91鋼中間層焊縫，由于受多層熱循環(huán)作用，韌性值低于表面焊縫，這對P91鋼多層焊，極為重要?！?】在多層多道焊縫中，后續(xù)焊道的焊接熱循環(huán)對前一層焊道起再熱作用，在焊縫中形成了焊層（道）之間的焊接熱影響區(qū)，該區(qū)的組織形態(tài)發(fā)生了明顯變化。在

14、某一熱循環(huán)溫度的作用下，柱狀晶組織可能被碎化或消失，馬氏體板條位向特征變得不明顯；在另一熱循環(huán)溫度的作用下，等軸晶晶粒出現(xiàn)細(xì)化傾向?；诤傅篱g熱影響區(qū)的存在，以及其組織形態(tài)發(fā)生變化，可以認(rèn)為，利用多層、多道焊接熱循環(huán)的作用，可用以細(xì)化部分晶粒，改善焊縫組織形態(tài)，這不失為一種提高焊縫韌性的有利工藝措施。然而，實(shí)測結(jié)果表明，采用多層多道焊接的焊縫金屬，在焊后狀態(tài)下的沖擊功低得很，其數(shù)值均在10J 以下。這表明，多層、多道焊的焊接熱循環(huán)作用對焊縫組織的改善還不可能達(dá)到預(yù)期效果，原因可能是焊縫焊后形成馬氏體，而且由于不同溫度區(qū)域的焊接熱循環(huán)的溫度不同，相變產(chǎn)生的組織各異，一部分區(qū)域的粗大柱狀晶未能徹底

15、消失，晶粒的細(xì)化很不均勻，等等?！?】焊縫金屬的組織與性能本來就不好，再在它上面再次繼續(xù)進(jìn)行焊接-焊后熱處理，使得粗大柱狀晶繼續(xù)長大，焊縫韌性的降低是不言而喻的。2.2.2熱影響區(qū)的軟化馬氏體耐熱鋼的供貨狀態(tài)為正火回火，即調(diào)質(zhì)處理。焊接時(shí)，在細(xì)晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)將會(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。造成這一現(xiàn)象的主要原因是焊接時(shí)，細(xì)晶熱影響區(qū)的所經(jīng)受的溫度稍高于Ac3，臨界熱影響區(qū)所經(jīng)受的溫度在Ac1-Ac3 之間，處于這一溫度區(qū)間的金屬發(fā)生部分奧氏體化，沉淀強(qiáng)化相在這一過程中不能夠完全溶解在奧氏體中，在隨后的熱過程中未溶解的沉淀相發(fā)生粗化，造成這一區(qū)域的強(qiáng)度降低。軟化對短時(shí)高溫拉伸強(qiáng)度影響不大，但降低持久

16、強(qiáng)度，長期高溫運(yùn)行后，在軟化區(qū)常常會(huì)產(chǎn)生型裂紋。【6】在橫向焊接接頭蠕變試驗(yàn)中，焊接熱影響區(qū)是接頭性能最弱的區(qū)域。P92 接頭的蠕變斷裂幾乎都是發(fā)生在母材一側(cè)的熔合線，特別是焊接熱影響區(qū)的再熱細(xì)晶軟化區(qū)，即由焊接熱循環(huán)造成的部分奧氏體化區(qū)(臨界溫度區(qū)，或稱第IV區(qū))。在試驗(yàn)參數(shù)較高的情況下，接頭第IV 區(qū)的弱化趨勢更為明顯，與母材相比，其蠕變強(qiáng)度降低率逐漸超過20%，即超出了母材平均強(qiáng)度±20%范圍的下限。由此可見，在焊縫金屬合金成份經(jīng)合理優(yōu)化，其蠕變性能與母材性能充分匹配的條件下，P92 鋼焊接接頭熱影響區(qū)第IV 區(qū)的性能決定了整個(gè)接頭的高溫蠕變斷裂行為。【7】 同一坡口內(nèi)的第2次

17、、第3次焊接不可能準(zhǔn)確無誤的在同一位置，這就使得熱影響區(qū)第IV 區(qū)的寬度增加，甚至增加2-3倍。這可能是反復(fù)挖補(bǔ)的最嚴(yán)重后果。2.2.3 過回火引起強(qiáng)度較低、韌性下降、壽命減少、新的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生 焊后熱處理的高溫回火可以改善組織、去氫、降低硬度、降低焊接殘余應(yīng)力。但是，當(dāng)回火溫度過高或回火時(shí)間過長時(shí)，馬氏體板條基體完成了高溫回復(fù)過程，馬氏體板條粗化，板條內(nèi)出現(xiàn)多邊化亞晶的明顯長大，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)更為典型但數(shù)量減少，M23C6 碳化物出現(xiàn)熟化，尺寸粗化，形狀卵球化，分布向板條界和原奧氏體晶界聚集。【8】回火加熱時(shí)間90min 太短，正火馬氏體的形變儲(chǔ)存能沒有完全釋放，表現(xiàn)在強(qiáng)塑性、沖擊韌性較差，板條馬氏

18、體不均勻。180min 回火較為充分，則有較好的短時(shí)性能?；鼗饡r(shí)間360min 則太長，基體中的碳化物主要是（Fe,Cr）23C6 彌散強(qiáng)化較充分，但部分碳化物在晶界上聚集，碳化物顆粒有一定程度的長大，表現(xiàn)在強(qiáng)度較低，沖擊總功下降了41J。【9】返修的焊口焊后熱處理恒溫時(shí)間為5-10h不等，2-3次的恒溫時(shí)間總和更是10（15）-15（30）h，不利影響是顯而易見的。高溫回火過程實(shí)質(zhì)上是連續(xù)的超溫運(yùn)行過程，這個(gè)過程將消耗鋼管的使用壽命。壽命損失可用larson-miller參數(shù)估算?！?0】 P =T(C +lgt)式中：P-常數(shù)，又叫回火參數(shù)T-以絕對溫度計(jì)算的金屬溫度，°Kt-時(shí)

19、間,小時(shí)C-馬氏體耐熱鋼取38【11】再者，熱處理過程中，無論采取何種方式加熱，都不可避免的存在內(nèi)外壁溫度差。有溫度差就有熱應(yīng)力，低的部位為拉應(yīng)力，反之則為壓應(yīng)力。應(yīng)力值的大小可以用下式計(jì)算：=TE式中：-熱應(yīng)力MPa-線膨脹系數(shù)mm/mm T-溫度差E-彈性模量MPa。2.2.4管系補(bǔ)償值的改變由于焊接過程中對焊件進(jìn)行了局部的、不均勻的加熱, 以及隨后的不均勻冷卻作用, 結(jié)構(gòu)本身或外加的剛性拘束作用, 通過焊縫的收縮力、溫度和組織等因素的變化, 而在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了不均勻的塑性變形。焊縫的縱向和橫向收縮是引起各種復(fù)雜變形的根本原因。對于管道，焊縫的縱向收縮所引起的管徑減小并不引人關(guān)注，而焊縫

20、的橫向收縮所引起的管道長度縮短就影響顯著了。焊縫的橫向收縮量約為熔敷金屬厚度的10%。即一道主蒸汽管道或過熱器聯(lián)箱焊縫的收縮量最大可達(dá)10多mm。在同一管系中數(shù)道焊縫的收縮量最大可達(dá)數(shù)十mm，這就大大改變了管系的原設(shè)計(jì)補(bǔ)償值，改變了對汽輪機(jī)和鍋爐出口聯(lián)箱的推力。聯(lián)箱長度的縮短給受熱面管排增加了徑向力矩，有可能造成有再熱裂紋傾向受熱面鋼管安裝焊口的再熱裂紋。焊接缺陷較多的聯(lián)箱接管座角焊縫也有開裂的可能。受到相連結(jié)構(gòu)和管道自身剛度的拘束而產(chǎn)生不了塑性變形（縮?。缚p的收縮力就成為了內(nèi)應(yīng)力。焊縫的收縮力為：F=147·E式中：F-焊縫收縮力NE-焊接線能量J/mm【12】這些內(nèi)應(yīng)力在焊后

21、熱處理中可以消除一部分，剩余的就待以后的運(yùn)行中在介質(zhì)溫度和壓力作用下慢慢通過蠕變消除。3.結(jié)論 對于運(yùn)行機(jī)組焊縫火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程DL/T 438-2009要求抽查，對于缺陷較嚴(yán)重的焊縫，每次A級檢修或B級檢修應(yīng)進(jìn)行無損探傷復(fù)查。并未要求“不合格”即返修。火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程DLT869-2012要求，對于“比較重大的事故和缺陷”的修復(fù)，應(yīng)該進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的可行性分析。亦未要求“超標(biāo)”即返修。返修造成保留焊縫金屬的組織與性能下降；熱影響區(qū)第IV 區(qū)的寬度增加；重復(fù)回火引起強(qiáng)度較低、韌性下降、壽命減少、新的內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生；焊縫的收縮量大大改變了管系的原設(shè)計(jì)補(bǔ)償值，改變了對汽輪機(jī)和鍋爐出口連箱的推力。連箱長度的縮短給受熱面管排增加了徑向力矩，