國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組存在的問(wèn)題

1、山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院電源技術(shù)中心張忠文一、山東電科院研究現(xiàn)狀超超臨界（USC）機(jī)組已是國(guó)際上發(fā)展比較成熟的先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)，國(guó)內(nèi)超超臨界機(jī)組出現(xiàn)了迅猛的發(fā)展，2006年11月，首臺(tái)1000MW機(jī)組投入運(yùn)行后，在短短兩年多時(shí)間，運(yùn)行的1000MW超超臨界機(jī)組有10臺(tái)，截止目前，國(guó)內(nèi)在運(yùn)的百萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組已達(dá)48臺(tái)，標(biāo)志著我國(guó)超超臨界發(fā)電技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。山東省是國(guó)內(nèi)首批建設(shè)USC機(jī)組的地區(qū)，自2006年12月華電鄒縣發(fā)電股份有限公司相繼投運(yùn)兩臺(tái)1000MWUSC機(jī)組后，華能威海發(fā)電廠的兩臺(tái)600MWUSC業(yè)已運(yùn)行，華電萊州發(fā)電廠的兩臺(tái)1000MWUSC已有一臺(tái)開(kāi)始運(yùn)營(yíng)

2、。USC機(jī)組發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)是鍋爐蒸汽壓力及溫度參數(shù)提高后所需采用的高蠕變強(qiáng)度耐熱鋼的選擇、制造和安裝過(guò)程中的焊接及熱處理工藝研究、運(yùn)行后的組織性能變化以及金屬部件損壞后的修復(fù)技術(shù)研究。use鍋爐大量采用了最新研究的高蠕變強(qiáng)度耐熱鋼，如T/P23、T/P91、T/P92、E911、P122鐵素體耐熱鋼和TP347HFG、Super304H、HR3C奧氏體耐熱鋼等，這些鋼采用了控軋控冷技術(shù)，具有晶粒小，雜質(zhì)含量低，多元微合金的復(fù)合強(qiáng)韌化等特點(diǎn)，使其具備高熱強(qiáng)韌性、高熱穩(wěn)定性、高的抗高溫蒸汽氧化性等，但它們的連接方式主要依靠焊接，焊接接頭很難實(shí)現(xiàn)控軋控冷等技術(shù)，因此焊接接頭的性能低是一個(gè)普遍存在的問(wèn)

3、題。山東電科院至2005年既開(kāi)始對(duì)USC機(jī)組用的新型耐熱鋼焊接進(jìn)行研究，根據(jù)當(dāng)時(shí)的有關(guān)資料，探討了新型耐熱鋼的特點(diǎn)和焊接監(jiān)督【1】；針對(duì)鄒縣電廠安裝兩臺(tái)1000MW超超臨界機(jī)組，開(kāi)展了T/P92、Super304H和HR3C鋼的工藝性研究，分析了焊接接頭的組織和性能【2】【11】。機(jī)組投入運(yùn)行后，苦于監(jiān)督數(shù)據(jù)不充分，相繼開(kāi)展新型耐熱鋼焊接接頭時(shí)效組織和性能變化規(guī)律研究，找出了時(shí)效脆化機(jī)理和蠕變強(qiáng)度降低的原因【12】【21】。其中超超臨界機(jī)組用的Super304H鋼焊接接頭組織和性能變化研究獲山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，經(jīng)鑒定超超臨界機(jī)組用T/P92鋼和HR3C鋼焊接接頭組織性能及應(yīng)用項(xiàng)目達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先

4、水平，其中P92鋼焊縫金屬裂紋機(jī)制和HR3C鋼時(shí)效組織和性能變化達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。存在的問(wèn)題1、P92鋼焊縫金屬微細(xì)裂紋2007年5月玉環(huán)電廠在進(jìn)行#3、#4機(jī)組安裝過(guò)程中，了解到P92鋼管道配管廠焊縫表面存在微裂紋缺陷，立即安排對(duì)現(xiàn)場(chǎng)同類焊縫進(jìn)行全面磁粉普查，累計(jì)檢測(cè)廠家焊縫35只，其中30只存在微裂紋缺陷。2009年，在鄒縣電廠也發(fā)現(xiàn)了主蒸汽管道P92鋼焊縫表面存在大量的微裂紋。這類微裂紋缺陷特征為埋弧自動(dòng)焊焊縫表面裂紋，長(zhǎng)度5-20mm不等，稍打磨l-2mm即可消除。圖1主汽表面微裂紋圖2焊縫金屬微觀裂紋形態(tài)該類裂紋盡管大量發(fā)現(xiàn)于埋弧自動(dòng)焊焊縫表面，裂紋內(nèi)部是否具有該類裂紋？或焊條電弧焊

5、焊縫中是否也普遍存在類似的裂紋？長(zhǎng)期以來(lái)一直不是很明確，而對(duì)裂紋的機(jī)制也是眾說(shuō)紛紜，為此山東電科院通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)割管和應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)了該類裂紋，研究表明裂紋屬于低溫脆性裂紋，既可存在于焊縫表面也可存在于焊縫的內(nèi)部，而且也普遍存在于焊條電弧焊焊縫中，原因與目前采取的焊接工藝認(rèn)識(shí)有關(guān)，針對(duì)該類裂紋的普遍性，目前的檢測(cè)手段具有一定的局限性，因此改進(jìn)焊接工藝和提高檢測(cè)率，成為目前最為緊迫的任務(wù)，而對(duì)于已運(yùn)行的焊接接頭，研究消除該類裂紋的修復(fù)技術(shù)是必須攻克的難關(guān)。2、P92鋼焊縫金屬冷裂紋某電廠#8鍋爐主汽管道材質(zhì)SA335P92,規(guī)格540 x85mm,運(yùn)行溫度605C,壓力26.25MPa，運(yùn)行1.1

6、萬(wàn)小時(shí)后第一次大修檢查發(fā)現(xiàn)，鍋爐進(jìn)口A側(cè)水平段主汽管道焊縫邊緣有一條環(huán)向裂紋。裂紋發(fā)生環(huán)焊縫與北側(cè)母材熔合線4點(diǎn)-7點(diǎn)位置,長(zhǎng)約370mm沿呈圓周線發(fā)展,裂紋肉眼清晰可見(jiàn),中間可見(jiàn)明顯張口,兩端呈細(xì)鈍狀。如圖3示。圖3主蒸汽管道裂紋形貌運(yùn)行1.1萬(wàn)h某電廠#3鍋爐投運(yùn)4個(gè)月B側(cè)再熱器出口管道（材質(zhì)SA335P92，規(guī)格826x46mm,運(yùn)行溫度600C，壓力27.46MPa）鍋爐出口后第一只彎頭處水壓堵閥與直管段,運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)對(duì)接焊縫有貫穿性裂紋,裂紋處于安裝焊縫中間部位,走向?yàn)橹芟蛄鸭y,5點(diǎn)-10點(diǎn)位置,6點(diǎn)位置處裂紋已穿透焊縫,外表面裂紋長(zhǎng)度為650mm左右,如圖1-7所示。分析認(rèn)為裂紋發(fā)生

7、在彎頭處水平段對(duì)接焊縫仰焊處,型式結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)應(yīng)力較大重疊的位置,其中主汽焊縫硬度較高,熱段硬度合格,焊縫裂紋可能是原始缺陷或裂紋在機(jī)組啟、停過(guò)程的熱應(yīng)力和運(yùn)行過(guò)程內(nèi)壓應(yīng)力的作用下逐步發(fā)展起來(lái)的,運(yùn)行中管道下部承受軸向附加拉應(yīng)力,促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展；同時(shí)在仰焊處,焊接位置困難,焊接的線能量、焊層厚度控制較難；一些施工單位吊焊位置采用（p40mm焊條蓋面，在工藝控制上較為困難；沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行焊接、熱處理工藝等。某電廠#2爐P92鋼高再、高過(guò)集箱為日本制造,在運(yùn)行1年后的檢修中射線和超聲檢查管子焊縫存在大量不同深度的裂紋，如圖4所示。其中10個(gè)焊口需要挖補(bǔ)或切割消除。由于P92鋼應(yīng)用業(yè)績(jī)較少

8、，對(duì)P92鋼的自動(dòng)焊接工藝可能存在一些問(wèn)題，所以分析認(rèn)為裂紋產(chǎn)生原因可能與焊接工藝有關(guān)。圖4集箱裂紋形貌3、焊接熱影響區(qū)IV型裂紋某電廠#6機(jī)組主汽管道材質(zhì)為P92鋼管，其規(guī)格457mmx85mm，運(yùn)行溫度605C，主汽壓力26MPa，投運(yùn)約3000小時(shí)，即發(fā)現(xiàn)主蒸汽管道鍋爐出口甲側(cè)和乙側(cè)各與第三彎頭相接直管段產(chǎn)生環(huán)向裂紋，裂紋斷續(xù)分布于整個(gè)圓周，深度為5mm-10mm。打磨檢查裂紋處管道表面殘留有焊縫金屬，該處管道與彎頭對(duì)接前焊接過(guò)水壓堵頭，最終確認(rèn)該裂紋屬于IV型裂紋性質(zhì)，在水壓堵頭焊接的多次熱循環(huán)和熱處理過(guò)程中，造成焊接熱影響區(qū)組織蠕變損傷，運(yùn)行后很快產(chǎn)生了蠕變裂紋，這是國(guó)內(nèi)首例在P92

9、鋼發(fā)現(xiàn)的蠕變裂紋，如圖5和圖6所示。圖5主蒸汽管道焊縫開(kāi)裂照片圖6焊縫裂紋照片4、P92鋼焊縫金屬時(shí)效脆化P92鋼焊接接頭運(yùn)行8000小時(shí)后割管試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫金屬出現(xiàn)了嚴(yán)重的時(shí)效脆化問(wèn)題，室溫沖擊功值僅約5J左右如表1所示，彎曲試驗(yàn)焊縫無(wú)任何變形即在焊縫處脆斷見(jiàn)圖7，對(duì)將來(lái)機(jī)組啟停和管道支吊架提出了挑戰(zhàn)，也對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全形成了嚴(yán)重的考驗(yàn)。脆化主要是在運(yùn)行條件組織狀態(tài)出現(xiàn)了變化圖7彎曲試樣斷裂照片表1運(yùn)行后P92鋼焊接接頭沖擊功結(jié)果位置試樣沖擊功Ak$J沖擊功平均值J試樣1試樣2試樣3母材外層41404140.67中層35333233.33內(nèi)層33362932.67焊縫外層9/57中層4554.

10、67內(nèi)層6354.675、Super304H鋼焊接接頭時(shí)效脆化Super304H鋼的特點(diǎn)一是晶粒細(xì)化，二是析出強(qiáng)化，但在焊接熱循環(huán)條件下這兩個(gè)特點(diǎn)都將發(fā)生變化。焊接時(shí)的問(wèn)題主要是熱裂紋，而運(yùn)行后焊縫金屬存在明顯的時(shí)效脆化，如圖8所示。脆化的原因是M23C6沿晶析出。200300400500Agingtimet/h焊粗oooooO54321fv/vlU一oedul-（試樣尺寸:55X10X5）圖8Super304H鋼焊縫時(shí)效后沖擊功的變化曲線圖6、HR3C鋼焊縫金屬時(shí)效脆化和蠕變強(qiáng)度降低HR3C鋼基體組織為單一的奧氏體相，焊接時(shí)存在的主要問(wèn)題是焊接接頭的熱裂紋、腐蝕和時(shí)效脆化等。時(shí)效后焊縫金屬出

11、現(xiàn)嚴(yán)重脆化見(jiàn)圖9，而在運(yùn)行過(guò)程中蠕變強(qiáng)度又明顯降低如圖10所示。44J/vkAygrenetcapmI22CCCooO0050“66二亠011111111110100200300400500Agingtimet/h（試樣尺寸：5w益mo5）圖9HR3C鋼焊接接頭焊縫時(shí)效后沖擊功變化曲線P=T（15+lgTr）圖10HR3C鋼焊接接頭高溫持久P-lgo關(guān)系圖7、馬氏體耐熱鋼里氏硬度不準(zhǔn)確性由于彈性模量的差異，采用國(guó)內(nèi)的里氏硬度計(jì)測(cè)試該類鋼的硬度，其誤差達(dá)到了20%以上，若按該儀器測(cè)定的數(shù)值，焊接接頭的蠕變強(qiáng)度將會(huì)明顯降低，電科院根據(jù)儀器誤差，給出了硬度修正曲線。8、異種鋼接頭裂紋某電廠1000M

12、W機(jī)組在水壓和試運(yùn)行過(guò)程中，有大量異種鋼接頭馬氏體耐熱鋼熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋而泄漏，原因是制造廠家焊接時(shí)，沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，焊后淬硬組織沒(méi)有消除而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。三、建議1、選擇適宜的焊接材料和工藝P92、Super304H鋼和HR3C鋼均存在嚴(yán)重的時(shí)效脆化問(wèn)題，根據(jù)電科院的研究成果，首先應(yīng)改善焊接材料，降低焊縫金屬的含碳量，加入抑制脆性相析出元素，其次是合理選擇焊接材料，避免焊縫金屬的時(shí)效脆化。改善焊接工藝，嚴(yán)格焊接工藝紀(jì)律，采取一定措施細(xì)化焊縫金屬的晶粒。2、消除P92鋼焊縫金屬微小裂紋P92鋼焊縫金屬裂紋的普遍性，反映了目前焊接工藝的不適宜性，應(yīng)調(diào)整焊接工藝或重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，評(píng)定時(shí)

13、應(yīng)模擬現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力狀態(tài)，提高預(yù)熱溫度和層間溫度等措施。3、加強(qiáng)金屬監(jiān)督人員和監(jiān)理人員培訓(xùn)超超臨界機(jī)組用的新型耐熱鋼，由于引進(jìn)時(shí)間較短，應(yīng)用歷史不長(zhǎng)，對(duì)其認(rèn)識(shí)仍處于探索階段，而且可供依據(jù)的監(jiān)督數(shù)據(jù)很少，因此應(yīng)充分利用已暴露出來(lái)的問(wèn)題，總結(jié)研究成果，制定監(jiān)督細(xì)則，加強(qiáng)金屬監(jiān)督人員和監(jiān)理人員的培訓(xùn)，提高水平，精確監(jiān)督。3、檢測(cè)手段和修復(fù)技術(shù)研究傳統(tǒng)或單一的監(jiān)督方法已不能滿足現(xiàn)有金屬監(jiān)督的需要，要盡快研究采用先進(jìn)的檢測(cè)手段，充分利用研究院的技術(shù)，強(qiáng)化安裝前和安裝后的檢驗(yàn)工作。由于缺陷修復(fù)處在剛性拘束狀態(tài)，現(xiàn)有的焊接工藝已不能適應(yīng)修復(fù)要求，因此必須專門研究修復(fù)技術(shù)，確保機(jī)組中焊接接頭的質(zhì)量。文獻(xiàn)：【1】張忠

14、文等.超超臨界機(jī)組用新型耐熱鋼及焊接監(jiān)督；山東電力技術(shù)，2007.1【2】張忠文等.T92鋼焊接接頭的組織和性能研究；焊接，2009.10【3】張忠文等.焊接方法對(duì)T92鋼焊接接頭性能的影響；熱加工工藝，2007.3【4】李俊等.P92鋼焊接接頭的組織和性能研究；山東電力技術(shù)，2009.3【5】張忠文等.HR3C鋼焊接接頭的組織和性能研究；熱加工工藝，2008.3【6】李新梅等.Super304H奧氏體耐熱鋼微觀組織研究；材料科學(xué)與工藝,2010。3【7】李新梅等.T92/Super304H鋼焊接接頭的性能研究；材料導(dǎo)報(bào)，2011.18【8】李新梅等.Super304H鋼焊接接頭的晶間腐蝕敏感

15、性；焊接學(xué)報(bào)，2010.039】李新梅等.P92鋼微觀組織和硬度；金屬熱處理；2012.310】張忠文等.T92鋼焊接接頭組織和韌性研究；熱加工工藝，2008.311】李新梅等.新型耐熱鋼HR3C/T92異質(zhì)接頭微觀組織和性能研究；【12】張忠文等.時(shí)效溫度對(duì)Super304H鋼焊縫金屬組織和韌性影響；焊接學(xué)報(bào)，2011.7【13】李新梅等.時(shí)效溫度對(duì)Super304H鋼析出相的影響；材料熱處理學(xué)報(bào).2009.3014】李新梅等.Super304H奧氏體耐熱鋼微觀組織研究材料科學(xué)與工藝,2010,18【15】張忠文等.650C時(shí)效條件下HR3C鋼焊縫金屬組織與韌性；材料熱處理學(xué)報(bào)，2011.416】李新梅等.Super304H鋼焊接接頭時(shí)