超臨界鍋爐P91鋼集箱局部硬度和金相組織異常原因分析

馬加朋，蓋紅德 ，戴家輝 ，蘇建盛 ，賈 文

（1.山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東 濟南 250101；2.濱州市沾化區匯宏新材料有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

SA-335P91／P92鋼是在9Cr-1Mo鋼的基礎上，通過加入V、Nb等合金元素而研究開發的，其不僅具有較高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且具有良好的沖擊韌性和持久塑性及熱強性能，廣泛用于制造超（超）臨界機組高溫高壓蒸汽集箱和管道，如果制造或安裝過程工藝參數控制不當，就會出現各種質量問題。結合具體實例，介紹SA-335P91鋼高溫再熱器出口集箱問題的發現與處理過程。

某電廠一期工程為4×350 MW超臨界發電機組，其鍋爐為DG-1130／25.4-Ⅱ2型超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，該鍋爐為單爐膛、一次再熱、前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型鍋爐。鍋爐的最大連續蒸發量最終與汽輪機的VWO工況相匹配，鍋爐主要參數如下。

最大連續蒸發量：1 130 t／h；

過熱蒸汽出口壓力：25.4 MPa；

過熱蒸汽出口溫度：571℃；

再熱蒸汽流量：926.49 t／h；

再熱蒸汽進口壓力：4.33 MPa；

再熱蒸汽出口壓力：4.13 MPa；

再熱蒸汽進口溫度：315℃；

再熱蒸汽出口溫度：569℃。

1 缺陷情況

該鍋爐高溫再熱器出口集箱規格為Φ610 mm×30 mm，材料為SA-335 P91。依據相關規程，在安裝現場對高溫再熱器出口集箱設備復驗時，對該集箱進行了成分分析和硬度檢驗，發現部分箱體區域硬度異常。具體檢驗部位見圖1，集箱化學成分及硬度分別見表1和表2。

圖1 檢驗部位

表1 集箱化學成分質量分數 %

表2 檢驗部位硬度 HB

由表1可知，該集箱各元素含量均符合ASMESA-335標準要求。根據DL／T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》的要求，對于ASMESA—335 P91 鋼集箱，集箱的母材硬度應控制在 180～250HB［1］。從表2中可以看出，該集箱在距焊縫150 mm處硬度低至139 HB，不符合標準要求。之后，加大對該集箱的硬度檢驗比例，每隔50 mm進行多次硬度檢驗后，發現集箱硬度異常區域約為50 mm×50 mm，其他區域硬度正常。

圖2 集箱箱體金相照片

硬度在一定程度上表征了材料的綜合理化性能情況，不同的硬度狀態，其微觀組織也相應不同［2］；進一步確定硬度異常的原因，該集箱箱體不同部位進行了金相檢驗，結果見圖2。從圖2（a）中可以看出，硬度異常區域的微觀組織為大塊狀鐵素體+回火馬氏體+淬火馬氏體，不符合 DL／T 1161—2012《超（超）臨界機組金屬材料及結構部件檢驗技術導則》3.1.2條中P91鋼微觀組織應為高溫回火狀態板條馬氏體組織的要求［3］；另外放大100倍的金相圖片中，金相組織中的鐵素體質量分數高達35%，而DL／T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》7.3.2條中規定δ-鐵素體質量分數不超過5%。硬度異常位置以外區域微觀組織為回火馬氏體，未見異常，見圖2（b）。由上述結果可知，該高溫再熱器出口集箱硬度異常區域，微觀組織異常，鐵素體含量超標，其他區域微觀組織正常。

2 原因分析

從檢驗結果可以看出，該集箱硬度和微觀組織異常區域位于集箱箱體上，面積較小，考慮到在安裝現場未對該集箱進行任何加工，可判斷該集箱存在制造質量問題。

圖3 熱處理爐結構

為進一步分析該集箱制造過程中硬度及金相組織異常的原因，查閱了該集箱制造廠的原料入廠復驗資料，該集箱原材料硬度符合要求，之后對集箱焊接及熱處理工藝、焊接記錄和熱處理曲線進行了核查，未發現異常。考慮到集箱大部分區域硬度和金相組織合格，僅小部分區域出現異常，實地察看了集箱制造廠的熱處理過程，發現熱處理爐存在一些問題。該熱處理為臺車式燃氣爐，其整體布局如圖3所示。熱處理爐內部尺寸為 4 m×3 m×20 m（寬×高×長），內部空間較小；采用火焰加熱，左右側墻及下部各有3個火焰噴口，后墻下部有2個火焰噴口，火焰噴口數量較少，且噴口溫度較高；熱電偶布置在左右墻和后墻的上部，其中左右墻各2個，后墻1個，距離火焰噴口過遠，難以監控爐子中下部溫度。

通過分析認為造成SA-335 P91鋼集箱局部區域硬度和金相組織異常的原因如下。在管接頭焊接完畢后，在熱處理爐中對高溫再熱器集箱進行整體焊后熱處理過程中，因該熱處理爐采用火焰加熱方式，爐內受熱不均勻，熱電偶數量過少，且分布不均，不能有效監控爐內各處溫度，加上集箱放置位置離火焰噴口太近，造成熱處理過程中該集箱靠近火焰噴口但是遠離熱電偶的局部區域溫度超標，超過了SA-335 P19鋼的相變溫度（Ac1），致使部分回火馬氏體發生相變轉變為奧氏體組織，在隨后的冷卻過程中，因集箱壁厚和尺寸較大，熱處理爐保溫性較好，在相變溫度附近停留時間過長，形成鐵素體和奧氏體組織，隨著繼續降溫進入馬氏體形成區域，部分未轉變完全的奧氏體進行馬氏體轉變，最終導致該區域金相組織由回火馬氏體、鐵素體和淬火馬氏體組成，該區域的硬度將大大降低。集箱其他未靠近火焰噴口的部位則經過了正常的焊后熱處理過程，組織仍為回火馬氏體［4-5］，硬度和微觀組織正常。

3 處理措施

通過分析，焊后整體熱處理操作不當導致該集箱局部區域硬度和微觀組織異常，而正常的金相組織是獲得能滿足高效穩定安全運行的P91鋼材料的重要控制因素之一，組織中出現的大量塊狀鐵素體會導致性能的急劇降低［2］，所以必須對該集箱進行處理。針對這種情況，根據DL／T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》和DL／T 819—2010《火力發電廠焊接熱處理技術規程》的相關規定，對該集箱采取了處理措施。

對熱處理爐和熱處理過程進行改進。在熱處理爐內中下部增加熱電偶，實現對熱處理爐內各部分溫度的監控；熱處理控制儀表經過相關部門檢定合格，控制有效加熱區爐溫均勻性不大于10℃；熱處理過程中集箱下部放置墊鐵，使集箱在爐內中央位置，盡可能遠離火焰噴口，管座朝上；用金屬隔板隔離加熱火焰，防止火焰直吹到工件上造成過燒。對該集箱重新進行正火+回火熱處理，正火溫度為1 040～1 070℃，回火溫度為750～770℃，具體的正火+回火熱處理工藝見圖4。

圖4 正火+回火熱處理工藝

采取上述改進措施，對高溫再熱器出口集箱進行正火+回火熱處理后，對集箱上母材和焊縫進行100%硬度檢驗，每個部位不少于3點，重點確認原來硬度異常區域是否符合硬度要求。對原來微觀組織異常區域重新做金相，經過檢驗，所抽檢各點硬度和微觀組織均符合 DL／T 1161—2012《超（超）臨界機組金屬材料及結構部件檢驗技術到則》和DL／T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》及其他規程、工藝文件要求。

針對P91鋼集箱局部硬度和金相組織異常，從焊后熱處理和硬度檢驗方面對于集箱制造過程中提出了預防措施。

P91鋼集箱優良的性能是通過精確的化學成分控制和嚴格的熱處理過程來實現的，所以應該加強對集箱制造過程中焊后熱處理的質量管理，制造過程最好使用電熱處理爐，如使用燃氣熱處理爐，則應該防止火焰接觸工件，重點確保部件受熱均勻，內外壁溫差小，嚴控熱處理溫度和熱處理時間，杜絕局部溫度過高現象。

硬度間接反映了材料的微觀組織和機械性能，并在一定程度上表征了材料的綜合理化性能情況，是評估材料安全性的關鍵因素之一，硬度檢驗簡單易行，所以在安裝前，應對SA-335P91材質集箱進行100%硬度抽檢，如發現硬度異常，則進一步進行金相檢驗來判定材料的可用性。

DL／T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》對于9%～12%Cr材料集箱安裝前的硬度檢驗，僅要求按筒節段數和制造焊縫的20%進行硬度檢驗，檢驗比例太低，且對于母材的硬度檢驗位置未提出詳細要求，易導致問題集箱漏檢［6］。根據本次高溫再熱器出口集箱硬度和金相異常情況，建議在實際檢驗中應提高對9%～12%Cr材料集箱的硬度檢驗比例至100%，并且硬度檢驗位置不能僅局限于焊縫兩側，而應該對高合金集箱或管道的母材沿一定的距離進行多次檢驗，以發現局部硬度異常區域，避免因部分區域組織異常影響機組的安全運行。

4 結語

對高溫再熱器出口集箱進行安裝前檢驗，檢驗后發現集箱局部區域硬度低于標準要求的下限，微觀組織異常，出現了塊狀鐵素體和淬火馬氏體。經過分析，該異常是由于焊后整體熱處理過程中集箱局部區域超溫所導致。針對該集箱問題，對熱處理爐進行了改造，對熱處理過程進行了改正，并提出了正火+回火的熱處理方案，對處理后的檢驗提出了要求。

［1］中國電力企業聯合會.火力發電廠金屬技術監督規程：DL／T 438—2016［S］.北京：中國電力出版社，2016.

［2］高立新，李煒麗，侯小龍，等.P91鋼高溫蒸汽管道低硬度對其理化性能的影響［J］.華北電力技術，2015（7）：37-43，66.

［3］中國電力企業聯合會.超（超）臨界機組金屬材料及結構部件檢驗技術導則：DL／T1161—2016［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］蔡文河，趙衛東，王智春，等.P91鋼管蒸汽管道軟化機理與熱處理工藝控制［J］.熱力發電，2013，42（1）：23-25.

［5］王寶臣，田旭海，梁軍，等.P91鋼管硬度低的原因分析及對性能的影響［J］.神華科技，2012，10（3）：48-52.

［6］趙欣剛，趙立，金南輝.超超臨界機組P91／P92鋼安裝過程質量控制［J］.電焊機，2012，42（10）：87-91.