末級過熱器出口導汽管裂紋分析及處置方案

王　強，劉志強，王永強

（山西國峰煤電有限責任公司，山西　汾陽　032200）

工程技術

末級過熱器出口導汽管裂紋分析及處置方案

王強，劉志強，王永強

（山西國峰煤電有限責任公司，山西汾陽032200）

闡述了某電廠300MWCFB鍋爐末級過熱器出口導氣管彎頭產生裂紋的原因及相應的處理方案。為了查明彎頭開裂的真正原因，這次失效分析采用了現場金相檢測、現場硬度檢測、鋼管的合金成分分析、磁粉檢測等試驗方法，為彎頭失效原因的查明提供了有力的技術保障和數據支持。同時依據現行標準對裂紋產生原因進行深入探討，為進一步認識P91鋼的性能提供了典型的案例。

CFB鍋爐；失效分析；P91鋼

1　概述

某電廠300MWCFB機組，鍋爐為東方鍋爐（集團）股份有限公司生產的循環流化床鍋爐。鍋爐型號為：DG1085.3/17.5-Ⅱ1型，鍋爐最大連續出力為1 085.3 t/h，末級過熱出口蒸汽壓力為17.5MPa、出口溫度為541℃。鍋爐再熱蒸汽入口和出口壓力分別為：3.847MPa和3.667MPa，再熱器入口、出口溫度分別為：329℃、541℃。該機組自2015年8月投運以來，累計運行2600余小時，屬于新投產機組。

本次出現裂紋缺陷的部件為末級過熱器出口集箱至主蒸汽管道的導氣管。導氣管的規格為

Φ141mm×22mm，材質為SA-335P91。發生開裂的部位為導氣管的外弧面（如圖1），宏觀裂紋長度約7mm。

圖1　開裂的彎頭

同時在彎頭的其他部位發現疑似補焊過的區域，如圖2所示。

圖2　彎頭上疑似補焊的區域

2　彎頭缺陷區域的實驗分析

2.1裂紋區域金相組織分析

對裂紋區域采用粗砂紙進行打磨，打磨后的缺陷外觀如圖3所示。可以看到兩條主裂紋之間存在大量的小裂紋。

圖3　打磨后的缺陷照片

將裂紋區域的金相組織分別放大到200倍和400倍（如下頁圖4），可以看到該區域的金相組織變化明顯。從金相照片中可以很明顯地觀察到金相組織具有焊縫熔合區、晶粒粗大的過熱區、晶粒細小的相變重結晶區等形貌特征。可以初步判斷裂紋的產生可能是由于在該管道上的焊接引起的。

圖4　裂紋區域放大200倍和400倍的金相照片

2.2缺陷區域合金成分的分析及硬度檢測

采用德國布魯克公司生產的便攜式熒光X射線合金分析儀（儀器的型號為：S1TITAN500型）對裂紋區和緊挨裂紋區的母材區進行合金成分的分析。這種設備的工作原理是：儀器激發出一定量的X射線并照射到金屬表面，X射線從被照物體中擊出內層電子時，被照金屬將產生特征X射線，這部分特征X射線被儀器吸收，從而得到材料中合金的成分含量。本次檢測得到的裂紋區和母材區的主要合金成分如表1。從表中數據可以看出母材區的主要合金成分和管道的設計材料P91的主要合金成分相符，但裂紋區和母材區的成分明顯不同，再一次證明了裂紋區為焊接修復區域。

表1　母材和焊縫的主要合金成分　%

硬度實驗采用瑞士生產的EQUOTIP3型便攜式里氏硬度儀進行。實驗是對該彎頭的裂紋區和相臨近的母材區域進行測試。實驗所得到的裂紋區域的硬度的平均值為280HBHLD，檢測得到與裂紋區鄰近的母材區的平均硬度值220HBHLD。依據DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》附錄C的規定，P91鋼管材料的硬度（HB）范圍規定在180～250之間；P91材料的焊縫區域的硬度（HB）范圍應該控制在180～270之間。顯然裂紋區的硬度超出了P91材料硬度允許的上限值。過高的硬度往往伴隨著材料塑性的下降，這可能是導致彎頭開裂的重要原因。并且該機組已經累計運行2600多小時，相當于在541℃回火了2600多小時，回火往往可以將材料的硬度降低，這說明該彎頭裂紋區域在投入使用時的硬度值可能更高，塑性更差。

2.3裂紋缺陷的消除與深度測定

缺陷的消除采用細砂紙磨片打磨的方式進行，并依據NB/T47013.4—2015《承壓設備無損檢測第4部分：磁粉檢測》標準進行裂紋缺陷的跟蹤檢測（如圖5），以保證裂紋的徹底消除。最終在磁軛無磁痕顯示時，計算得到裂紋的最大深度約為4.5mm。

圖5　裂紋打磨消缺

2.4疑似補焊區域的金相分析

對疑似補焊的區域進行金相分析，將其金相組織放大400倍后的照片如圖6。可以看到疑似補焊區域同樣具有焊縫附近區域的金相組織特征，并且在部分區域內已經產生了微裂紋。

圖6　疑似補焊區域的金相組織

3　基于實驗結果的分析及相應的方案

3.1實驗結果的分析

通過以上的實驗可以判斷，該彎頭的裂紋可能是由于對彎頭進行焊接而形成的。這個彎頭可能在生產加工過程中出現了某些缺陷，生產人員采用了焊接的方式對該彎頭進行修復。在彎頭工作后，這些焊接修復的部位作為彎頭的薄弱部位而發生失效開裂。

3.2彎頭的處置方案

由于彎頭的裂紋深度較深，且裂紋區域的面積比較大；同時這個彎頭的焊補的部位較多，且部分焊補區域產生了裂紋。因此決定對該彎頭進行整體更換。

彎頭更換的焊接方案如下：

1）焊接弧焊電源設備選用ZX7-400ST型逆變焊機，采用雙人對焊工藝施焊。需要準備氬弧焊、焊條電弧焊用具各兩套。履帶式加熱器一套。

2）焊絲選用日本神鋼生產的TG-S9CB型焊絲，規格為Φ2.4mm；焊條選用奧鋼聯伯樂焊接（中國）有限公司生產的牌號為TphoenixCrMo9V的焊條，規格為：Φ3.2mm×350mm。焊絲使用前進行表面清理，焊條使用前依照說明書進行烘烤，使用時將烘烤后的焊條裝入保溫桶內，隨用隨取。

3）選用氬弧焊的鎢極型號為：Wce-20，規格為Φ2.5mm。焊道背部采用充氬保護，氬氣的流量為10～11 L/min，氬氣的純度不低于99.95%。

4）用機械的方法制備焊接坡口，坡口形式采用雙“V”型（見圖7）。將坡口兩側10～15mm內的油、銹等雜質清理干凈，直至發出金屬光澤。

圖7　焊接坡口

5）整個焊接過程的焊接熱輸入見表2。

表2　焊接熱輸入控制表

6）焊接過程的熱處理曲線圖見圖8。氬弧焊打底焊接時，預熱的溫度為150℃，控制層級溫度不要超過200℃；采用焊條電弧焊進行焊接時的預熱溫度為200℃，焊接層間溫度控制在300℃以內；焊接結束后將溫度降至100～120℃，并恒溫2h，以確保焊縫的組織全部轉變為馬氏體組織；然后以70℃/h的升溫速度將焊縫升溫至760℃，并恒溫2h，進行高溫回火熱處理；最后以70℃/h的速度將焊縫緩慢冷卻至室溫。整個焊接熱處理過程采用柔性陶瓷電加熱片加熱，加熱的寬度為300mm。

圖8　焊接過程熱處理曲線圖

7）焊接完成后的驗收標準按照DL/T869—2012《火力發電廠焊接技術規程》6.3“焊接接頭無損檢測”中的要求進行。焊縫的硬度驗收按照DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》“附錄C”進行。

4　結語

現行的DL/T438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》等規程都沒有明確規定高壓彎頭能不能采用焊接方式進行修復。從本案例來看，P91材料系列的高壓彎頭，焊接修復較常規部件的焊接修復將更加復雜，要求也更高。因此P91材料系列承壓彎頭的焊接修補需要謹慎使用。目前常用的DL/T 695—2014《電站鋼制對焊管件》等規程規定，對彎頭上的缺陷適宜采用打磨等機械方法加以消除。

（編輯：王紅霖）

Analysis and Solutions for Airway Cracks of Final-stage Superheater Outlet

Wang Qiang，Liu Zhiqiang，Wang Yongqiang

（ShanxiGuofeng Coal-Power Co.，Ltd.，Fenyang Shanxi 032200）

Based on the scientific analysis of the possible reasons of airway bend cracks of a 300MW CFB boiler's final-stage superheater outlet in a power plant，some solutions are put forword accordingly in this paper.To find out the true causes for the cracking of the bend，somemethods such as field metallographic test，field hardness test，alloy composition analysis of the steel pipe，magnetic particle testwere applied，which provide strong technical and data support.Moreover，the in-depth research and repeated discussions of the possible causes of the bend cracks in accordance with the current standardsmake it a typical case for further understanding of the properties of P91 steel.

CFB boiler；failure analysis；P91 steel

TK223.3+2；TG44

A

2095-0748（2016）11-0062-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.26

2016-04-28

王強（1983—），男，內蒙古鄂爾多斯人，內蒙古科技大學在職研究生，中級工程師，現就職于山西國峰煤電有限責任公司設備部，長期從事火力發電廠設備檢修的管理工作；劉志強（1991—），男，山西平遙人，畢業于中原工學院，現就職于山西國峰煤電有限責任公司設備部，從事火力發電廠設備檢修管理工作；王永強（1982—），男，山西太原人，畢業于中北大學，現就職于山西國峰煤電有限責任公司設備部，從事循環流化床鍋爐設備管理工作。