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(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.濱州市沾化區(qū)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(chǔ)上，通過加入V、Nb等合金元素而研究開發(fā)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(qiáng)性能，廣泛用于制造超（超）臨界機(jī)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(shù)控制不當(dāng)，就會出現(xiàn)各種質(zhì)量問題。結(jié)合具體實(shí)例，介紹SA-335P91鋼高溫再熱器出口集箱問題的發(fā)現(xiàn)與處理過程。

某電廠一期工程為4×350 MW超臨界發(fā)電機(jī)組，其鍋爐為DG-1130／25.4-Ⅱ2型超臨界變壓運(yùn)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(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量最終與汽輪機(jī)的VWO工況相匹配，鍋爐主要參數(shù)如下。

最大連續(xù)蒸發(fā)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(jìn)口壓力：4.33 MPa；

再熱蒸汽出口壓力：4.13 MPa；

再熱蒸汽進(jìn)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(guī)格為Φ610 mm×30 mm，材料為SA-335 P91。依據(jù)相關(guān)規(guī)程，在安裝現(xiàn)場對高溫再熱器出口集箱設(shè)備復(fù)驗(yàn)時(shí)，對該集箱進(jìn)行了成分分析和硬度檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分箱體區(qū)域硬度異常。具體檢驗(yàn)部位見圖1，集箱化學(xué)成分及硬度分別見表1和表2。

圖1 檢驗(yàn)部位

表1 集箱化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 檢驗(yàn)部位硬度 HB

由表1可知，該集箱各元素含量均符合ASMESA-335標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)DL／T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，對于ASMESA—335 P91 鋼集箱，集箱的母材硬度應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)要求。之后，加大對該集箱的硬度檢驗(yàn)比例，每隔50 mm進(jìn)行多次硬度檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)集箱硬度異常區(qū)域約為50 mm×50 mm，其他區(qū)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(tài)，其微觀組織也相應(yīng)不同［2］；進(jìn)一步確定硬度異常的原因，該集箱箱體不同部位進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，結(jié)果見圖2。從圖2（a）中可以看出，硬度異常區(qū)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(jī)組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則》3.1.2條中P91鋼微觀組織應(yīng)為高溫回火狀態(tài)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(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)35%，而DL／T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》7.3.2條中規(guī)定δ-鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過5%。硬度異常位置以外區(qū)域微觀組織為回火馬氏體，未見異常，見圖2（b）。由上述結(jié)果可知，該高溫再熱器出口集箱硬度異常區(qū)域，微觀組織異常，鐵素體含量超標(biāo)，其他區(qū)域微觀組織正常。

2 原因分析

從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該集箱硬度和微觀組織異常區(qū)域位于集箱箱體上，面積較小，考慮到在安裝現(xiàn)場未對該集箱進(jìn)行任何加工，可判斷該集箱存在制造質(zhì)量問題。

圖3 熱處理爐結(jié)構(gòu)

為進(jìn)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(fù)驗(yàn)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(jìn)行了核查，未發(fā)現(xiàn)異常?？紤]到集箱大部分區(qū)域硬度和金相組織合格，僅小部分區(qū)域出現(xiàn)異常，實(shí)地察看了集箱制造廠的熱處理過程，發(fā)現(xiàn)熱處理爐存在一些問題。該熱處理為臺車式燃?xì)鉅t，其整體布局如圖3所示。熱處理爐內(nèi)部尺寸為 4 m×3 m×20 m（寬×高×長），內(nèi)部空間較??；采用火焰加熱，左右側(cè)墻及下部各有3個(gè)火焰噴口，后墻下部有2個(gè)火焰噴口，火焰噴口數(shù)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(gè)，后墻1個(gè)，距離火焰噴口過遠(yuǎn)，難以監(jiān)控爐子中下部溫度。

通過分析認(rèn)為造成SA-335 P91鋼集箱局部區(qū)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(jìn)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(nèi)受熱不均勻，熱電偶數(shù)量過少，且分布不均，不能有效監(jiān)控爐內(nèi)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(yuǎn)離熱電偶的局部區(qū)域溫度超標(biāo)，超過了SA-335 P19鋼的相變溫度（Ac1），致使部分回火馬氏體發(fā)生相變轉(zhuǎn)變?yōu)閵W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(shí)間過長，形成鐵素體和奧氏體組織，隨著繼續(xù)降溫進(jìn)入馬氏體形成區(qū)域，部分未轉(zhuǎn)變完全的奧氏體進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致該區(qū)域金相組織由回火馬氏體、鐵素體和淬火馬氏體組成，該區(qū)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(jīng)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(dāng)導(dǎo)致該集箱局部區(qū)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(wěn)定安全運(yùn)行的P91鋼材料的重要控制因素之一，組織中出現(xiàn)的大量塊狀鐵素體會導(dǎo)致性能的急劇降低［2］，所以必須對該集箱進(jìn)行處理。針對這種情況，根據(jù)DL／T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和DL／T 819—2010《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對該集箱采取了處理措施。

對熱處理爐和熱處理過程進(jìn)行改進(jìn)。在熱處理爐內(nèi)中下部增加熱電偶，實(shí)現(xiàn)對熱處理爐內(nèi)各部分溫度的監(jiān)控；熱處理控制儀表經(jīng)過相關(guān)部門檢定合格，控制有效加熱區(qū)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(nèi)中央位置，盡可能遠(yuǎn)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(jìn)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(jìn)措施，對高溫再熱器出口集箱進(jìn)行正火+回火熱處理后，對集箱上母材和焊縫進(jìn)行100%硬度檢驗(yàn)，每個(gè)部位不少于3點(diǎn)，重點(diǎn)確認(rèn)原來硬度異常區(qū)域是否符合硬度要求。對原來微觀組織異常區(qū)域重新做金相，經(jīng)過檢驗(yàn)，所抽檢各點(diǎn)硬度和微觀組織均符合 DL／T 1161—2012《超（超）臨界機(jī)組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件檢驗(yàn)技術(shù)到則》和DL／T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》及其他規(guī)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(yàn)方面對于集箱制造過程中提出了預(yù)防措施。

P91鋼集箱優(yōu)良的性能是通過精確的化學(xué)成分控制和嚴(yán)格的熱處理過程來實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)該加強(qiáng)對集箱制造過程中焊后熱處理的質(zhì)量管理，制造過程最好使用電熱處理爐，如使用燃?xì)鉄崽幚頎t，則應(yīng)該防止火焰接觸工件，重點(diǎn)確保部件受熱均勻，內(nèi)外壁溫差小，嚴(yán)控?zé)崽幚頊囟群蜔崽幚頃r(shí)間，杜絕局部溫度過高現(xiàn)象。

硬度間接反映了材料的微觀組織和機(jī)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(guān)鍵因素之一，硬度檢驗(yàn)簡單易行，所以在安裝前，應(yīng)對SA-335P91材質(zhì)集箱進(jìn)行100%硬度抽檢，如發(fā)現(xiàn)硬度異常，則進(jìn)一步進(jìn)行金相檢驗(yàn)來判定材料的可用性。

DL／T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對于9%～12%Cr材料集箱安裝前的硬度檢驗(yàn)，僅要求按筒節(jié)段數(shù)和制造焊縫的20%進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)比例太低，且對于母材的硬度檢驗(yàn)位置未提出詳細(xì)要求，易導(dǎo)致問題集箱漏檢［6］。根據(jù)本次高溫再熱器出口集箱硬度和金相異常情況，建議在實(shí)際檢驗(yàn)中應(yīng)提高對9%～12%Cr材料集箱的硬度檢驗(yàn)比例至100%，并且硬度檢驗(yàn)位置不能僅局限于焊縫兩側(cè)，而應(yīng)該對高合金集箱或管道的母材沿一定的距離進(jìn)行多次檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)局部硬度異常區(qū)域，避免因部分區(qū)域組織異常影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語

對高溫再熱器出口集箱進(jìn)行安裝前檢驗(yàn)，檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)集箱局部區(qū)域硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限，微觀組織異常，出現(xiàn)了塊狀鐵素體和淬火馬氏體。經(jīng)過分析，該異常是由于焊后整體熱處理過程中集箱局部區(qū)域超溫所導(dǎo)致。針對該集箱問題，對熱處理爐進(jìn)行了改造，對熱處理過程進(jìn)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(yàn)提出了要求。

［1］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)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(shù)，2015（7）：37-43，66.

［3］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.超（超）臨界機(jī)組金屬材料及結(jié)構(gòu)部件檢驗(yàn)技術(shù)導(dǎo)則：DL／T1161—2016［S］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］蔡文河，趙衛(wèi)東，王智春，等.P91鋼管蒸汽管道軟化機(jī)理與熱處理工藝控制［J］.熱力發(fā)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(jī)組P91／P92鋼安裝過程質(zhì)量控制［J］.電焊機(jī)，2012，42（10）：87-91.