田曉，肖國華，李益民，曹劍鋒，楊百勛

(西安熱工研究院有限公司，西安市，710032)

0 引言

發(fā)展大容量、高參數(shù)的超超臨界火電機(jī)組是提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效途徑之一［1］。超超臨界火電機(jī)組相對(duì)于超臨界機(jī)組在蒸汽溫度和壓力上有所提高，這對(duì)電站關(guān)鍵部件材料提出了更高的性能要求［2-3］。四大管道是火電機(jī)組的主要承壓部件之一，其制造質(zhì)量對(duì)火電機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要。隨蒸汽溫度和壓力的提高，超超臨界機(jī)組的四大管道大量采用新型耐熱鋼材料［4-5］，如主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道主要采用P91、P92、P122、E911，低溫再熱蒸汽管道采用低合金鋼A691Gr1-1/4CrCL22，高壓給水管道普遍采用15NiCuMoNb5貝氏體鋼。這些新型耐熱鋼的應(yīng)用對(duì)四大管道的工廠化配制提出了更高的工藝要求。本文分別對(duì)超超臨界機(jī)組四大管道在工廠化配制過程中常見的質(zhì)量問題及缺陷進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施及處理方法。

1 直管段及管件常見質(zhì)量問題

1.1 表面質(zhì)量問題

四大管道原材表面經(jīng)常存在凹坑、裂紋、機(jī)械損傷等缺陷(如圖1-3所示)，主要是在制造、運(yùn)輸過程中造成的。凹坑是壓力管道中常見的體積型缺陷，經(jīng)有限元模擬分析得知，管段最大應(yīng)力分布在凹坑最底部［6-7］，凹坑底部處產(chǎn)生的應(yīng)力集中大大降低了鋼管自身的承載能力，容易引起管道的泄漏和破裂。為了消除凹坑對(duì)管道性能的危害，按照美國威曼高登公司的建議，對(duì)凹坑處以1∶8斜度打磨、平滑過渡。管道表面裂紋和劃痕、刮傷等機(jī)械損傷處的尖端部位存在較大的應(yīng)力集中，四大管道服役過程中在其內(nèi)部壓力作用下裂紋尖端極易擴(kuò)展，從而導(dǎo)致管道的破裂，嚴(yán)重威脅管道的安全運(yùn)行。因此，對(duì)管道表面存在的裂紋、機(jī)械損傷需及時(shí)進(jìn)行打磨、消缺處理。按照《華能四大管道監(jiān)檢大綱》對(duì)表面深度為0.8～1.6 mm的缺陷應(yīng)打磨至圓滑過渡，且保證去除缺陷后管道壁厚不低于規(guī)定的最小壁厚;對(duì)于表面深度大于1.6 mm或公稱壁厚12%的劃痕或缺陷應(yīng)予以修補(bǔ)。

圖1 主蒸汽管道外表面凹坑宏觀形貌Fig.1 Macroscopic appearance of pits existed in outer wall of main steam pipe

圖2 管道內(nèi)壁表面的裂紋Fig.2 Surface cracks of pipe inner wall

圖3 管道表面的機(jī)械損傷Fig.3 Mechanical damage on pipe surface

1.2 幾何尺寸問題

四大管道鋼管和管件在配制前，需對(duì)其幾何尺寸進(jìn)行檢查，以保證其符合設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)的問題主要有壁厚超差、長度不合格、鋼管彎曲度超標(biāo)、不圓度超標(biāo)、管件流通面積超標(biāo)等。

(1)壁厚超差。足夠的壁厚是保證管道承受載荷的前提，四大管道監(jiān)檢大綱和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壁厚有嚴(yán)格的要求。鋼管的壁厚應(yīng)在其允許偏差范圍內(nèi)，具體范圍參見GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》［8］。實(shí)測壁厚小于規(guī)定最小壁厚的鋼管(或管段)不得使用，以免壁厚不滿足設(shè)計(jì)要求給機(jī)組的運(yùn)行帶來安全隱患。管件任意部位的壁厚不得小于規(guī)定的最小壁厚，且不得小于所連接直管允許的最小壁厚。

(2)長度不合格。在監(jiān)檢四大管道過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鋼管實(shí)測長度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)尺寸，難以滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)此類情況應(yīng)及時(shí)通知業(yè)主，長度不足的鋼管應(yīng)不予使用。

(3)鋼管彎曲度超標(biāo)。四大管道通常為大口徑厚壁管，GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定:壁厚大于30 mm的鋼管，其彎曲度不應(yīng)大于3.0 mm/m;外徑不小于127 mm時(shí)，其全長彎曲度應(yīng)不大于鋼管長度的0.10%［8］。監(jiān)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別再熱熱段管材(規(guī)格ID 914 mm×35 mm)出現(xiàn)彎曲度嚴(yán)重超標(biāo)，最大彎曲度為12 mm/m(見圖4)。建議對(duì)其斷開使用，以降低彎曲度對(duì)管道安全運(yùn)行的影響。

圖4 高溫再熱蒸汽管道彎曲度超標(biāo)形貌Fig.4 Macroscopic appearance of excessive bend of high temperature reheat steam pipe

(4)不圓度超標(biāo)。不圓度是指圓形金屬材料(包括管材、棒材、線材等)橫截面上最大與最小直徑之差與公稱外徑的百分比，也稱作橢圓度或失圓度。GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定鋼管不圓度不應(yīng)超過外徑公差的80%［8］。在四大管道運(yùn)行過程中，彎管/彎頭處的不圓度會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而大大降低彎管/彎頭的壽命。DL/T 438—2009《火電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定:公稱壓力大于8 MPa，彎管不圓度不大于5%;公稱壓力不小于10 MPa，彎頭不圓度不大于3%［9］。在四大管道監(jiān)檢過程中，發(fā)現(xiàn)彎頭/彎管兩中性面內(nèi)壁有扁平現(xiàn)象，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)其不圓度嚴(yán)重超標(biāo)(見圖5、表1)。對(duì)于不圓度超標(biāo)的彎管/彎頭應(yīng)不予使用。

1.3 硬度異常問題

圖5 彎頭內(nèi)表面不圓度超標(biāo)Fig.5 Unqualified roundness of elbow inner surface

表1 某電廠主給水彎頭內(nèi)圓度測量結(jié)果Tab.1 Inner roundness measurement of main feed water elbow for some power plant

金屬材料的硬度與強(qiáng)度有密切的關(guān)系，在現(xiàn)場工作中由于設(shè)備、試驗(yàn)條件的限制，經(jīng)常通過檢驗(yàn)材料的硬度是否達(dá)標(biāo)來初步判斷材料的整體力學(xué)性能是否合格。在四大管道監(jiān)檢過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)直管段和管件存在局部硬度偏高或偏低的現(xiàn)象，如某WB36(即15NiCuMoNb5)高壓給水異徑三通出現(xiàn)局部硬度偏低，最低布氏硬度值為164(見圖6和表2);某P91再熱熱段熱壓彎頭存在局部硬度偏高，且硬度分布不均現(xiàn)象(見圖7和表3)。ASME及GB5310相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只對(duì) P91、P92、P122、E911、A691Gr1-1/4CrCL22鋼管硬度的上限值做了規(guī)定，未規(guī)定其下限值。文獻(xiàn)［10-11］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直管段、管件硬度過低時(shí)，通常其屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度會(huì)低于標(biāo)準(zhǔn)的下限值或處于下限的臨界狀態(tài);當(dāng)直管段、管件硬度過高時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度可能超過標(biāo)準(zhǔn)上限要求，其韌性可能降低。因此，必須將鋼管的硬度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)才能保證材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)合格。DL/T 438—2009《火電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對(duì)電站常用金屬材料的硬度做了相應(yīng)的規(guī)定，P91/P92/P122的布氏硬度控制在180～250，且同根鋼管上任意2點(diǎn)的硬度差不允許超過30;15 NiCuMoNb5 的布 氏硬度控 制在 180 ～ 252［9］。若直管段、管件硬度高于上述規(guī)定值，需重新做回火處理;直管段、管件硬度低于上述規(guī)定值，需重新做正火+回火處理，且不得超過2次。

圖6 高壓給水異徑三通硬度檢驗(yàn)示意Fig.6 Hardness measuring diagram of high pressure feed water unequal-diameter T-joint

表2 高壓給水異徑三通硬度測量值Tab.2 Hardness measurements of high pressure feed water unequal-diameter T-joint

圖7 再熱管熱段熱壓彎頭硬度檢驗(yàn)示意Fig.7 Hardness measuring diagram of hot-pressing elbow for hot reheater pipeline

表3 再熱管熱段熱壓彎頭硬度測量值Tab.3 Hardness measurements of hot-pressing elbow for hot reheater pipeline

1.4 金相組織異常問題

材料的成分、組織、性能三者之間密切相關(guān)，合格的金相組織是材料具有合格使用性能的必要條件。因此，四大管道監(jiān)檢過程中對(duì)直管段和管件的金相組織有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求。監(jiān)檢中發(fā)現(xiàn)P91、P92、P122鋼中容易出現(xiàn)δ-鐵素體(見圖8)，其存在會(huì)降低鋼的沖擊韌性，且對(duì)鋼的高溫持久強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響［10-12］。《華能四大管道監(jiān)檢大綱》中要求P91、P92鋼金相組織回火馬氏體中允許含有少量δ-鐵素體，但其含量的平均值不超過3%，最多不超過5%;15NiCuMoNb5-6-4鋼正常組織為貝氏體+鐵素體，但鐵素體含量不得高于60%。此外，監(jiān)檢中發(fā)現(xiàn)部分P91/P92鋼管局部硬度偏低(HBW 130)處，其金相組織的馬氏體特征不明顯(見圖9)，可能是由于正火過燒或降溫速率偏低造成的，需重新熱處理以獲得正常的回火馬氏體組織。

2 配管過程質(zhì)量問題

圖8 P91金相顯微組織(約含5% δ-鐵素體)Fig.8 Microstructure of P91(including about 5% δferrite in volume fraction)

圖9 P91硬度偏低處金相組織Fig.9 Microstructure of P91 at low hardness location

配管過程將直管段和管件(彎頭、三通、接管座等)通過焊接組合在一起，制造出管道產(chǎn)品的過程。焊接質(zhì)量直接關(guān)系著四大管道的運(yùn)行狀況，因此必須嚴(yán)格控制配管過程，保證管道的焊接質(zhì)量。配管過程中常見的焊接質(zhì)量問題有焊接工藝問題、焊接缺陷、焊縫硬度異常等。

2.1 焊接工藝問題

焊接工藝是實(shí)現(xiàn)四大管道配管過程的主要方式，在配管過程中經(jīng)常出現(xiàn)引弧灼傷、未氬弧焊打底、焊前未預(yù)熱、未焊后熱處理等焊接工藝問題而造成四大管道配管質(zhì)量下降。

在四大管道配管過程中，由于部分工人不按焊接工藝要求使用引弧板引弧，直接在管材表面引弧從而造成管道表面電弧灼傷，降低了管道表面質(zhì)量和性能，必須堅(jiān)決遏制此類情況的出現(xiàn)。對(duì)于管材表面電弧灼傷處，須進(jìn)行打磨消除，經(jīng)表面檢驗(yàn)合格后方可接收。

氬弧焊打底因其得到的焊縫質(zhì)量高、焊接效率高以及造成的焊縫熱影響區(qū)小、變形小等優(yōu)點(diǎn)，在四大管道配管中常使用。而某些工廠為降低焊接成本，在管道配管焊接時(shí)直接使用手工電弧焊，未使用氬弧焊打底，因電弧焊能量大造成根部灼傷。若出現(xiàn)此情況，必須采用氬弧焊打底重新焊接。

P91/P92新型耐熱鋼以其優(yōu)異的使用性能，在超超臨界機(jī)組四大管道中得到廣泛應(yīng)用，但其焊接性能相對(duì)較差，存在冷裂紋敏感性較強(qiáng)、有一定的熱裂傾向、焊接接頭性能弱化等問題。為了保證焊接接頭的使用性能，焊接的關(guān)鍵工藝措施有焊前預(yù)熱、控制層溫、及時(shí)且有效的焊后熱處理。焊前預(yù)熱溫度應(yīng)在200～350℃，層間溫度應(yīng)控制在200～300℃。但在四大管道配管焊接監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)焊前預(yù)熱溫度不足、層間溫度較低的情況，有的不及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，難以保證焊接接頭的質(zhì)量，焊接后極易出現(xiàn)裂紋等缺陷。對(duì)此情況必須及時(shí)糾正，要求其嚴(yán)格按照焊接工藝施焊，對(duì)于焊接后出現(xiàn)裂紋的需打磨消除，必要時(shí)重新補(bǔ)焊。

2.2 焊接缺陷

四大管道焊接過程中常見的焊接缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、焊接裂紋、咬邊、焊瘤、錯(cuò)口等。這些焊接缺陷的存在，極大降低了焊接接頭的性能，對(duì)管道的運(yùn)行埋下安全隱患。

在四大管道配管后檢測中，發(fā)現(xiàn)部分焊縫中存在氣孔、夾渣。對(duì)于存在氣孔、夾渣的部位，需打磨消除后并進(jìn)行補(bǔ)焊。氣孔是在焊接過程中熔池中的氣泡在凝固時(shí)未能及時(shí)逸出而形成的空穴，夾渣是殘留在焊縫中的熔渣。由于氣孔、夾渣的存在，使焊縫的有效截面積減小，從而降低焊縫的強(qiáng)度，破壞焊縫金屬的致密性。為了防止氣孔、夾渣的出現(xiàn)，焊前應(yīng)做好坡口的清潔工作，避免坡口存在油污、水分、銹跡;嚴(yán)格按規(guī)定保管、清理、焙烘焊條和焊劑;在焊接時(shí)選擇合適的焊接電流和焊接速度，避免焊接速度過快。

超超臨界機(jī)組四大管道用P91、P92、P122鋼屬馬氏體高合金耐熱鋼，存在焊接性能較差、冷裂紋敏感性強(qiáng)等缺點(diǎn)，在配管過程中若焊接工藝不合理極易出現(xiàn)根部未融合、冷裂紋等焊接缺陷。例如，某P92再熱熱段管道在焊接卡塊時(shí)，其T型接頭外觀成型不良，端部存在未熔合現(xiàn)象(見圖10);某P91主蒸汽管道對(duì)接焊縫表面存在多處淺層微裂紋，因表面自動(dòng)焊蓋面道數(shù)少、厚度薄且焊后熱處理不及時(shí)造成的(見圖11)。未熔合是一種較嚴(yán)重的焊接缺陷，使焊縫出現(xiàn)間斷，破壞焊縫的連續(xù)性，大大降低焊縫的強(qiáng)度。對(duì)于存在未熔合缺陷處，應(yīng)重新進(jìn)行修磨、焊接。為防止未熔合缺陷，焊接時(shí)應(yīng)正確選擇坡口尺寸、合理的焊接電流和速度，避免焊接電流過小、焊接速度過快的情況發(fā)生，坡口表面的油污和氧化皮清除干凈，密切注意坡口兩側(cè)的熔合情況。由于P91、P92、P122鋼中的合金元素含量較高(約10%)，其淬硬傾向性大，對(duì)冷裂紋具有組織上的敏感性［13］;焊后在焊縫冷卻過程中，由于奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變存在組織應(yīng)力，且焊縫中氫以過飽和狀態(tài)存在于馬氏體中，加劇了該區(qū)域組織的脆化，易產(chǎn)生冷裂紋。為防止冷裂紋的產(chǎn)生，可采用低氫型焊條，降低焊縫中擴(kuò)散氫的含量;使用前對(duì)焊條進(jìn)行焙烘，防止受潮;仔細(xì)清理坡口處的油污、水分、銹跡，減少氫的來源;進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊后緩冷，采取多層多道焊，控制一定的層間溫度;做好焊后熱處理和去氫處理，以去氫、消除內(nèi)應(yīng)力和淬硬組織，改善接頭韌性。

此外，在四大管道焊接中還經(jīng)常出現(xiàn)咬邊、焊瘤、錯(cuò)口等缺陷。咬邊是由于焊接電流過大、運(yùn)條速度快、電弧拉得過長或焊角不合適而引起的。由于咬邊處存在較大的應(yīng)力集中，應(yīng)及時(shí)打磨、補(bǔ)焊以消除咬邊。焊瘤是由于運(yùn)條不勻，造成熔池溫度過高，液態(tài)金屬凝固緩慢下墜，因而在焊縫表面形成金屬瘤。為防止焊瘤的出現(xiàn)，應(yīng)嚴(yán)格控制熔池溫度，采用立焊、仰焊時(shí)電流應(yīng)比平焊時(shí)小10% ～15%，使用堿性焊條時(shí)應(yīng)采用短弧焊接，保持運(yùn)條勻速。錯(cuò)口是焊工在對(duì)口不合適的情況下進(jìn)行點(diǎn)固和焊接，從而造成焊縫兩側(cè)母材不在同一平面上。錯(cuò)口量大于10%母材厚度或超過4 mm，需切割、重新對(duì)口焊接，以消除錯(cuò)口缺陷。

圖10 P92再熱熱段管道與卡塊的T型焊縫端部未熔合Fig.10 Incomplete fusion of T-weld end between P92 hot reheater pipe and the fixture block

圖11 P91主蒸汽管道對(duì)接焊縫表面的微裂紋形貌Fig.11 Microcrack appearance of the butt weld in P91 main steam pipe

2.3 焊縫硬度異常

在四大管道配管過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)焊縫硬度異?，F(xiàn)象。焊縫硬度偏高會(huì)引起焊接接頭脆化傾向增加，韌性降低;焊縫硬度偏低，其高溫持久強(qiáng)度明顯下降［13-14］。DL/T 438—2009《火電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定P91/P92鋼的焊縫布氏硬度應(yīng)控制在180～270［9］?！度A能國際國產(chǎn)管件采購技術(shù)規(guī)程》規(guī)定15NiCuMoNb5的焊縫布氏硬度下限不低于母材硬度，上限為250;A691Gr1-1/4CrCL22的焊縫硬度下限不低于母材布氏硬度，上限為241，且不得高于母材布氏硬度值+100。對(duì)于焊縫硬度偏高，需重新進(jìn)行回火熱處理;焊縫硬度偏低，需重新正火+回火處理，但次數(shù)不宜超過2次。

3 結(jié)語

(1)在配管前做好四大管道的表面質(zhì)量檢驗(yàn)工作，避免凹坑、裂紋、機(jī)械損傷等缺陷的存在，同時(shí)需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求將直管段與管件的壁厚、彎曲度、不圓度等幾何尺寸控制在合格范圍內(nèi)。

(2)由于金屬材料的硬度與強(qiáng)度之間密切相關(guān)，直管段與管件的硬度檢驗(yàn)應(yīng)予以高度重視。對(duì)于硬度偏低的需重新進(jìn)行正火+回火處理，硬度偏高的重新進(jìn)行回火處理，但最多不超過2次;否則不予使用。

(3)金相組織檢驗(yàn)是保證材料具有合格使用性能的有力措施。在金相檢驗(yàn)中，對(duì)于P91、P92鋼應(yīng)注意控制其 δ-鐵素體含量最高不超過 5%;15NiCuMoNb5鋼為貝氏體鋼，其中鐵素體含量不應(yīng)超過60%，否則其強(qiáng)度明顯下降。

(4)在四大管道配管過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝要求進(jìn)行焊接，杜絕出現(xiàn)不規(guī)范的焊接操作行為，做好焊前預(yù)熱、消氫處理、焊后熱處理，防止各類焊接缺陷的出現(xiàn)，并及時(shí)進(jìn)行消缺處理。

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