关于火电厂在役机组管道焊口返修的探讨-邹德安

1、关于火电厂在役机组管道焊口返修的探讨邹德安1 蒙殿武2 朱孝军3（1大唐集团安评专家组2大唐吕四发电厂3大唐淮北发电厂）摘 要:某电厂对660MW超超临界机组P91/P92主蒸汽管道、高温再热汽管道及锅炉联箱焊缝在运行10000h后UT探伤发现一台机组有23道焊口焊缝金属存在缺陷,进行挖补。虽然无损探伤合格了，焊接接头的机械性能和寿命却受到了很大损害。关键词：厚壁管挖补； 性能寿命； 受到损害1.问题的提出某电厂对660MW超超临界机组P91/P92主蒸汽管道（631×103、438×73）高温再热汽管道（908×44、705×32）及锅炉联箱焊缝运行1

2、0000h后检查，UT探伤发现一台机组有23道焊口焊缝金属存在一些缺欠或缺陷。从检验报告看，均为单个、分散的缺欠或缺陷，未发现连续的面积型缺陷。这些缺欠或缺陷几乎都是焊道间和焊道边缘夹渣。日前，电厂以总价260万元的价格对23道焊口进行了返修。返修采用车削挖去大部分焊缝金属，在原坡口内重新堆焊。由于担心管道断开后管道磁化严重，退磁困难而无法焊接，焊缝金属根部保留十多mm或30-40mm不等。有的返修不合格又二次返修，即在同一位置反复2-3次进行焊接和焊后热处理。见表1。表1 管道焊缝超标缺陷处理方案序号系统名称规格缺陷深度(mm)水平位置(mm)指示长度(mm)材料处理方案1后屏过热器出口集箱

3、中间环焊缝610×120 mm实测厚度118mm27-98A+12、 A+28B+8、B+285-25P92整圈挖深1102末级过热器进口集箱中间环焊缝559×100 mm23-76A+6、A+28B+14、B+305-20P92整圈挖深853锅炉9层炉前侧主蒸汽管道大三通上边的弯头处(WA-03)438X73mm25.5-60焊缝中央焊缝中央偏左3mm焊缝中央偏右5mm10-25P92整圈60mm49层炉右再热蒸汽热段管道出大罩壳第1道焊口（H2）环焊缝711×45 mm实测厚度41 mm8.2-30焊缝中央偏左3-5mm焊缝中央偏右5mm10P91整圈挖深30

4、59层炉右再热蒸汽热段管道出大罩壳第2道焊口（H1）的环焊缝711×45 mm实测厚度41 mm25焊缝中央12P91局部挖深306末级再热器出口集箱中间环焊缝711×45 mm14.3焊缝边缘10P91局部挖深18 7末级再热器出口集箱（最左侧靠近大罩壳左墙的环焊缝）711×45 mm12.2-28焊缝中央焊缝中央偏右5mm10P91整圈实际挖31mm8过热器一级减温器喷水管上游环焊缝457×75 mm实测厚度70 mm33-54.3焊缝中央偏后7mm焊缝中央偏前413mm101215CrMo局部挖深609过热器二级减温器喷水管上游环焊缝508

5、5;70 mm实测厚度67 mm14.8焊缝中央偏右5mm10P91局部挖深2510过热器三级减温器喷水管上游环焊缝610×110 mm实测厚度99 mm24.8-56.8焊缝中央偏右15mm1015P91局部挖深5711低温再热蒸汽管道焊口号#5711×28 mm实测厚度28 mm19-20B+19560A691Cr.11/4CrCl22局部挖深2012主蒸汽管道焊口号WA-14438×73 mm实测壁厚75/76mm25-635、28512P92整圈挖深6313高旁管道焊口号#2369×62 mm实测壁厚63/64mm26-31A+10、A+2051

6、0P92整圈挖深4214高旁管道焊口号#6349×57 mm实测壁厚58/59mm27-42A+12、A+35520P92整圈挖深 43mm15高旁管道焊口号#10349×57 mm实测壁厚58/59mm36-43A+20、A+465P92整圈挖深4516高旁管道焊口号#5349×57 mm实测壁厚58/59mm20-35B+24、B+255P92局部挖深度27、38、23 17高旁管道焊口号#8349×57 mm实测壁厚58/59mm24-40A+15、A+20B+10、B+255P92整圈挖深4518主蒸汽管道焊口号#66(第二个三通支管焊口)438

7、×73 mm实测壁厚74/75mm18-55B+5、B+30515P92整圈挖深5519主蒸汽管道焊口号WB-15631×103mm实测壁厚106mm22-96B+5、B+35513P92整圈挖深9620主蒸汽管道焊口号#50（第一个三通主管）631×103mm28-42-1030、-535位置5P92整圈挖深6621主蒸汽管道焊口号#54（第一个三通支管焊口）438×73mm20呈圆周布置5P92整圈挖深52（二次返修）22主蒸汽管道焊口号#2（WA-02）438×73mmMax63呈圆周布置5P92整周实际挖深71mm（二次返修）23再热蒸

8、汽管道焊口号#44996×44mm13-43整周分布512P92整圈挖深36（二次返修）返修后，虽然无损探伤合格了，焊接接头的机械性能和寿命却受到了很大损害。这种损害包括保留焊缝金属机械性能的降低，热影响区的扩大并进一步降低机械性能，拉尔森-米勒参数值的累积，残余应力的增加和管道长度的减少而改变管系的补偿值等。这一做法的合理性值得商榷。2.讨论2.1返修的合理性对于大口径厚壁管道，这种单个、分散的缺欠或缺陷对焊接接头的连续性虽有影响，但由于其截面总和与焊缝截面之比微乎其微，对焊缝的承载力影响极小。未发现有早期失效的报道。历史上发生过的管道焊口失效多为热影响区母材或焊缝金属蜕化所致。【

9、1】未发生材质蜕化的焊口缺陷，甚至不允许缺陷，尺寸超标很多倍，有的缺陷截面总和与焊缝截面之比将近一半运行十几万小时也大部分只发生缺陷发展，极少发生泄漏的部位也是运行条件很差。【2】P91/P92马氏体耐热钢管道发生过的事故一般都是原材料缺陷所致。也就是说，只要材料的断裂韧性不发生大幅度降低，一般是不会发生早期失效，尤其是脆性断裂的。【3】 对于在役机组管道焊缝抽查，火力发电厂金属技术监督规程DLT 438-2009第7.2.3.3 b)规定：焊缝的无损探伤抽查依据安装焊缝的检验记录选取，对于缺陷较严重的焊缝，每次A级检修或B级检修应进行无损探伤复查。火力发电厂焊接技术规程DLT869-2012

10、第8.1.4 规定：对于比较重大的事故和缺陷的修复，应该进行技术和经济的可行性分析。并未要求“不合格”即返修。之所以如此，是因为在役机组与安装阶段有很大的不同。例如管道，安装时焊接完成最后一道“冷紧口”（冷紧值是设计院根据设计规程计算得出的）之后，各种型号的支吊架就把管系各个位置的坐标固定了。重新焊接就改变了坐标。这种返修在技术和经济上的可行性看不出有什么合理性。2.2返修后焊接接头的机械性能和寿命受到损害。P91/P92同属马氏体耐热钢，其标准号为ASME SA335 P91、P92 ，目前在我国应用在300-1000MW亚临界、超临界、超超临界机组的主蒸汽、再热蒸汽热段管道、过热器及再热器

11、连箱。是常温机械性能和热强性、热稳定性兼具的优良耐热钢。化学成分及常温机械性能见表2、表3。表2 P91、P92钢的化学成分%钢号CMnPSSiCrMoWVNNiNbAlBP910.080.120.300.600.020.010.200.508.009.500.851.050.180.250.030.070.040.04P920.07 0.130.30.600.020.010.50 8.509.50 0.300.601.52.00.150.250.030.070.040.040.090.040.0010.006表3 P91、P92钢的常温机械性能钢号屈服极限0.2(MPa)抗拉强度b(MPa)

12、延伸率5(%)硬度（HB）P9141558520250P9244062020250之所以性能优良，是通过正火可得到马氏体组织，正火态板条马氏体经高温回火后，回复为破碎的、晶粒细小的回火马氏体。既具有马氏体的强化效果,又因马氏体高温回复形成的亚稳态多边形结构可抵抗Ac1相变点以下高温的长时间作用。在同一位置反复3次进行焊接和焊后热处理使焊缝金属和母材热影响区常温机械性能和热强性都受到损害，不再具有优良的性能。2.2.1保留焊缝金属的组织与性能下降采用手工电弧焊焊接P91、P92钢，焊缝是温度极高的熔融状态冷却下来的铸造组织，不可能获得极细颗粒弥散析出的Nb、V碳氮化合物和高度细化的晶粒，即不具备

13、细晶强韧化的条件。相反，由于熔池金属的高温停留以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金属中，不仅难以细化晶粒、韧化焊缝，反而通过固溶强化而降低焊缝韧性。t85对焊缝韧性有显著影响。研究表明所有热循环条件下，试样的韧性都随着t 85的增加而降低，经过二次热循环后，韧性值还要降低，且随二次热循环峰值温度的减小，韧性降低幅度增大。因此P91钢中间层焊缝，由于受多层热循环作用，韧性值低于表面焊缝，这对P91钢多层焊，极为重要。【4】在多层多道焊缝中，后续焊道的焊接热循环对前一层焊道起再热作用，在焊缝中形成了焊层（道）之间的焊接热影响区，该区的组织形态发生了明显变化。在

14、某一热循环温度的作用下，柱状晶组织可能被碎化或消失，马氏体板条位向特征变得不明显；在另一热循环温度的作用下，等轴晶晶粒出现细化倾向。基于焊道间热影响区的存在，以及其组织形态发生变化，可以认为，利用多层、多道焊接热循环的作用，可用以细化部分晶粒，改善焊缝组织形态，这不失为一种提高焊缝韧性的有利工艺措施。然而，实测结果表明，采用多层多道焊接的焊缝金属，在焊后状态下的冲击功低得很，其数值均在10J 以下。这表明，多层、多道焊的焊接热循环作用对焊缝组织的改善还不可能达到预期效果，原因可能是焊缝焊后形成马氏体，而且由于不同温度区域的焊接热循环的温度不同，相变产生的组织各异，一部分区域的粗大柱状晶未能彻底

15、消失，晶粒的细化很不均匀，等等。【5】焊缝金属的组织与性能本来就不好，再在它上面再次继续进行焊接-焊后热处理，使得粗大柱状晶继续长大，焊缝韧性的降低是不言而喻的。2.2.2热影响区的软化马氏体耐热钢的供货状态为正火回火，即调质处理。焊接时，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。造成这一现象的主要原因是焊接时，细晶热影响区的所经受的温度稍高于Ac3，临界热影响区所经受的温度在Ac1-Ac3 之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久

16、强度，长期高温运行后，在软化区常常会产生型裂纹。【6】在横向焊接接头蠕变试验中，焊接热影响区是接头性能最弱的区域。P92 接头的蠕变断裂几乎都是发生在母材一侧的熔合线，特别是焊接热影响区的再热细晶软化区，即由焊接热循环造成的部分奥氏体化区(临界温度区，或称第IV区)。在试验参数较高的情况下，接头第IV 区的弱化趋势更为明显，与母材相比，其蠕变强度降低率逐渐超过20%，即超出了母材平均强度±20%范围的下限。由此可见，在焊缝金属合金成份经合理优化，其蠕变性能与母材性能充分匹配的条件下，P92 钢焊接接头热影响区第IV 区的性能决定了整个接头的高温蠕变断裂行为。【7】 同一坡口内的第2次

17、、第3次焊接不可能准确无误的在同一位置，这就使得热影响区第IV 区的宽度增加，甚至增加2-3倍。这可能是反复挖补的最严重后果。2.2.3 过回火引起强度较低、韧性下降、寿命减少、新的内应力产生 焊后热处理的高温回火可以改善组织、去氢、降低硬度、降低焊接残余应力。但是，当回火温度过高或回火时间过长时，马氏体板条基体完成了高温回复过程，马氏体板条粗化，板条内出现多边化亚晶的明显长大，位错网络更为典型但数量减少，M23C6 碳化物出现熟化，尺寸粗化，形状卵球化，分布向板条界和原奥氏体晶界聚集。【8】回火加热时间90min 太短，正火马氏体的形变储存能没有完全释放，表现在强塑性、冲击韧性较差，板条马氏

18、体不均匀。180min 回火较为充分，则有较好的短时性能。回火时间360min 则太长，基体中的碳化物主要是（Fe,Cr）23C6 弥散强化较充分，但部分碳化物在晶界上聚集，碳化物颗粒有一定程度的长大，表现在强度较低，冲击总功下降了41J。【9】返修的焊口焊后热处理恒温时间为5-10h不等，2-3次的恒温时间总和更是10（15）-15（30）h，不利影响是显而易见的。高温回火过程实质上是连续的超温运行过程，这个过程将消耗钢管的使用寿命。寿命损失可用larson-miller参数估算。【10】 P =T(C +lgt)式中：P-常数，又叫回火参数T-以绝对温度计算的金属温度，°Kt-时

19、间,小时C-马氏体耐热钢取38【11】再者，热处理过程中，无论采取何种方式加热，都不可避免的存在内外壁温度差。有温度差就有热应力，低的部位为拉应力，反之则为压应力。应力值的大小可以用下式计算：=TE式中：-热应力MPa-线膨胀系数mm/mm T-温度差E-弹性模量MPa。2.2.4管系补偿值的改变由于焊接过程中对焊件进行了局部的、不均匀的加热, 以及随后的不均匀冷却作用, 结构本身或外加的刚性拘束作用, 通过焊缝的收缩力、温度和组织等因素的变化, 而在焊接接头区产生了不均匀的塑性变形。焊缝的纵向和横向收缩是引起各种复杂变形的根本原因。对于管道，焊缝的纵向收缩所引起的管径减小并不引人关注，而焊缝

20、的横向收缩所引起的管道长度缩短就影响显著了。焊缝的横向收缩量约为熔敷金属厚度的10%。即一道主蒸汽管道或过热器联箱焊缝的收缩量最大可达10多mm。在同一管系中数道焊缝的收缩量最大可达数十mm，这就大大改变了管系的原设计补偿值，改变了对汽轮机和锅炉出口联箱的推力。联箱长度的缩短给受热面管排增加了径向力矩，有可能造成有再热裂纹倾向受热面钢管安装焊口的再热裂纹。焊接缺陷较多的联箱接管座角焊缝也有开裂的可能。受到相连结构和管道自身刚度的拘束而产生不了塑性变形（缩小），焊缝的收缩力就成为了内应力。焊缝的收缩力为：F=147·E式中：F-焊缝收缩力NE-焊接线能量J/mm【12】这些内应力在焊后

21、热处理中可以消除一部分，剩余的就待以后的运行中在介质温度和压力作用下慢慢通过蠕变消除。3.结论 对于运行机组焊缝火力发电厂金属技术监督规程DL/T 438-2009要求抽查，对于缺陷较严重的焊缝，每次A级检修或B级检修应进行无损探伤复查。并未要求“不合格”即返修。火力发电厂焊接技术规程DLT869-2012要求，对于“比较重大的事故和缺陷”的修复，应该进行技术和经济的可行性分析。亦未要求“超标”即返修。返修造成保留焊缝金属的组织与性能下降；热影响区第IV 区的宽度增加；重复回火引起强度较低、韧性下降、寿命减少、新的内应力产生；焊缝的收缩量大大改变了管系的原设计补偿值，改变了对汽轮机和锅炉出口连箱的推力。连箱长度的缩短给受热面管排增加了径向力矩，