超 ( 超) 临界机组典型制造缺陷及质量控制

超

(

超

)

临界机组典型制造缺陷及质量控制超超临界机组概况中国目前1000MW超超临界机组投运的50台，在建和设计中的69台，

设计参数25MPa/600

℃620℃高参数与二次再热：6台设计参数30MPa/623

℃2013/1/1

2主要内容一、锅炉、四大管道与压力容器二、

汽轮机2013/1/1

3TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有inst限itute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1

基本情况锅炉、四大管道与压力容器主要存在以下问题：①材质缺陷或错用材料②

焊缝裂纹、未熔合、气孔、咬边、凹坑等缺陷③

材料的硬度和金相组织④

奥氏体耐热钢管2013/1/1TPR/

西安Th热erm工alPo研wer究Rese院arc有hIns限titut公eCo.司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.1

水冷壁管材缺陷◆某电厂600MW超临界锅炉上部前墙水冷壁(材质15CrMoG,规格φ31.8×9mm),

裂纹最深1.3mm。2013/1/1TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有insti限tute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.1

水冷壁管材缺陷◆某电厂1000MW超超临界锅炉左侧水冷壁上部(材质15GrMoG,

规格φ28.6×5.8mm)

),

裂纹最深1.6mm。2013/1/1TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有inst限itute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.1

水冷壁管材缺陷原因：内壁凹坑及裂纹是管子在阶段性拉拔中间退火不完全，应力没有完全消除，下一道冷拔时拉裂所致。内部熔渣为管子生产成型后进入了低熔点物质(如喷砂过程中的铁沫等),在管子焊接及热处理过程被加热熔化，进而附着在管子内壁，导致通球失败。2013/1/1

7TPR/

西安Th热erma工lPo研wer究Rese院arch有Inst限itute公Co.

一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.1

水冷壁管材缺陷◆某电厂600MW超超临界锅炉水冷壁中部管排(规格φ38×7.3mm,

材质15CrMoG),

发现20根管子实测壁厚在

1.70～3.52mm

之间，低倍金相检验发现管子中存在缺陷。,Ltd司2013/1/1

8TPR/

西Xi'a安nTh热erm工alP研ower究Res院earch有Inst限itute公Co.司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.2低温过热器、分隔屏过热器管材缺陷◆某电厂330MW亚临界机组锅炉低温过热器第一组(规格：φ51×6.5;材质20G)◆某电厂600MW超临界机组锅炉分隔屏过热器(规格：φ43×6.5;材质12Cr1MoVG)20G

12Cr1MoVG2013/1/1TPR/

Thermal

Power

Research

institute

Co.,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.3

A672B70CL32冷段管道焊缝裂纹OD711×20.62mm和OD508.8×15.88mm2013/1/1

10西安热工研究院有限公司TPR/

西T'a安nTh热erm工alPo研wer究Res院earc有hins限titut公eCo一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.4

P92钢管端头的层状缺陷,Ltd司1.5管材性能不满足标准T/P91、

T/P92

拉伸强度低于标准下限。2013/1/1

11TPR/

西Xi'a安nTh热erm工alPo研wer究Rese院arc有hins限titute公Co司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.6错用材料◆某电厂600MW超临界机组5号炉光谱检验在8屏上部前墙水冷壁管屏上发现33片鳍片为碳钢(设计15CrMo);

在2屏上部

侧墙水冷壁管屏上发现5个密封块为碳钢(设计15CrMo)。◆某电厂1000MW超临界机组3号炉低温再热器四级管组设计材质为T23

和12Cr1MoVG,

但光谱检验发现91根12Cr1MoVG管

排混材为碳钢。◆某电厂#1炉末级再热器1根管子端头一段经光谱检验为12Cr1MoV,

设计为P91。2013/1/1

12TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有insti限tute公Co,

司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器1材质缺陷或错用材料1.6错用材料◆某电厂600MW超临界机组6号炉光谱检验水平烟道底墙水冷壁出口集箱(中323.9×65,

P12)

钢印侧筒节的材质为碳钢(设计P12),

长度为4.56米。2013/1/1

13材质为碳钢材质为P12TPR/

西XI'a安nTh热erm工alPo研wer究Res院earc有hins限titut公eCo一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.1受热面管大量的焊缝裂纹、未熔合、气孔、咬边、未焊透等缺陷◆某电厂1000MW超超临界锅炉水冷壁管屏端部角焊缝裂纹，最长达250mm。◆某电厂1000MW超临界机组2号炉水冷壁鳍片裂纹。,Ltd司2013/1/1

14TPR/

西XI'a安nT热herm工alP研ower究Res院earc有hinst限itut公eCo司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹15CrMoG、

SA-210C

、12Cr1MoVG钢制联箱管座裂纹。省煤器出口集箱接管座角焊缝(材质SA-210C;规格φ54×9)整周存在裂纹。15水冷壁过渡段混合集箱接管座角焊缝(材质15CrMoG;规格中60.3×9.7)裂纹，长85mm。2013/1/1一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹某电厂1000MW机组省煤器集箱箱体材质SA106C,

接管座材质SA

-

105、SA-210C,

部分管座15CrMo,

吊耳材质15CrMo。

检查发现各种接管座和吊耳共计410

处开裂水冷壁集箱；下集箱材质SA106C,

接管座为SA105、

小部分15CrMo;

上集箱全部材质12Cr1MoV,

中间集箱材质SA106C,

接管座15CrMo,

部分SA105,

共计250处开裂末级再热器集箱进口集箱和接管座材质12Cr1MoV,98

处开裂；出口集箱P92

、T92

一处开裂。2013/1/1

16TPR/

西XI'a安nT热herm工alP研ower究Res院earc有hinst限itute公Co一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹目前突出的是12Cr1MoV

联箱管座裂纹。,Ltd司2013/1/1

17一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

182.2联箱管座裂纹2

焊缝缺陷西安热工研究院有限公司

Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

LtdTPR/一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹裂纹起源于角焊缝筒身焊趾处，沿筒身表面熔合线附近粗晶区以沿晶断裂为主向内扩展，终止于筒身侧热影响区的细晶区，未扩展至焊缝和筒身母材，主裂纹深度约为2mm

。符合再热裂纹的开裂特征，由此判断裂纹性质为再热裂纹。2013/1/1

19粗晶区焊趾处西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

Ltd细晶区焊缝TPR/母材2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹预防措施：(1)焊接材料

改变焊材化学成分，在标准范围内，适当降低C、Cr、Mo、

V

含量，适当降低焊缝金属强度、提高冲击韧性和焊缝金属的高温塑性，降

低再热裂纹的敏感性。(2)预热及后热适当提高焊前预热温度，并增加焊后后热消氢处理，能够延缓焊接冷却速度，降低焊接残余应力。(3)焊接规范采用小的焊接规范施焊，减少热输入，改善母材热影响区的组织，降低焊接残余应力。一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

20西安热工研究院有限公司

Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

LtdTPR/TPR/

西Xi'a安nTh热erm工alPo研wer究Res院earc有hins限titut公eCo司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器2

焊缝缺陷2.2联箱管座裂纹预防措施：(4)降低残余应力和避免应力集中设计合理的角接接头焊角高度，减少熔敷金属的填充量，降低接头的拘束度，从而降低残余应力；改善角焊缝外形

尺寸，避免产生咬边、未熔合等焊接缺陷，避免应力集中。(5)焊后热处理工艺选择合理的焊后热处理工艺，尽量缩短在敏感温度区间的保温时间。2013/1/1

21TPR/

西安热T工herm研alPo

er

R院esea有rchIn限stitu公teCo司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器3

材料的硬度和金相织组3.1

9-12%Cr

钢的硬度和金相织组9～12%Cr

钢的定义铁素体耐热钢-中国电力百科全书第二版-火力发电卷在常温下呈铁素体组织且高温下不发生奥氏体转变的耐热钢，是耐热钢按组织分类的名称。这类钢常含有较多的铁素体形成元素，如铬、硅、铝等，含铬量一般在13-17%之间。此类钢具有良好的抗氧化及含硫气氛中的耐腐蚀性，但脆性大，冷加工与焊接性较差。在火电厂中用于工作温度低于800-1100℃的低负荷且不受冲击的部件，如Cr25Ti钢制锅炉吹灰器。2013/1/1

223.1

9-12%Cr

钢的硬度和金相织组9～12%Cr

钢的定义铁素体耐热钢-ASME

SA335“1

适用范围

1.2款注1在本标准中，铁素体钢的定义为含Cr

小于等于10%的低、中合金钢。JB/T

11018—2010召

临

界

及

超

超

临

界

机

组

汽

轮

机

用

Cr10

型不

锈

钢

铸

件

技

术

条

件ZG10Cr9Mo1VNbN(91)一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

23西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,LtdTPR/一、锅炉、四大管道与压力容器3.1

9-12%Cr

钢的硬度和金相织组9～12%Cr

钢的定义Temperature

(

℃)2013/1/1

24西安热工研究院有限公司

XI'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,Ltd10TPR/(h)Time1003.1

9-12%Cr

钢的硬度和金相织组(1)

9～12%Cr

新型耐热钢制高温部件的硬度控制判据ASME关于锅炉钢管相关规范2010年前对此类钢只规定硬度上限(250HB)

而无下限，欧盟的EN规范则无硬度规定，而国内大量的9～12%Cr

钢制部件硬度偏低。DL/T438规定了9%～12%Cr

钢制部件硬度下限180HB-250HB。2013/1/1

25一、锅炉、四大管道与压力容器西Xi'a安nTh热erm工alPo研wer究Res院earc有hins限titute公Co司,LtdTPR/DL/T438规定的9%～12%Cr钢制部件硬度下限判据也为美国ASME

和德国V&M

(曼内斯曼)公司所借鉴。2010年中国电机工程学会与ASME关于9%～12%Cr钢研究专题双边学术交流会上，

ASME

也提出了硬度下限规定，并决定在新的ASME修订版中纳入下限判据，目前美国ASTM关于此类钢原材料的硬度已

做了下限规定。TPR/

西Xi'a安nTh热erm工alPo研wer究Res院earc有hins限titut公eCo司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

26美国ASME

对新材料的硬度要求Purchase

and

Installation·

Chem

ical

Composion(Grades91&92)-

Cr

content:≥8.5%-

Max.

Ni-0.20%,min.N-0.035%·

Heat

Treatment-

Cooling

rate

through

the

temperature

range

1650-900

F

(900-480

C)shall

be

controlled

to

be

no

slower

than

5

C/min一、锅炉、四大管道与压力容器-

195-250

HB

mim2subsequent

fabrication

steps·

Tensile

Strength(Gr.91):90-

110-

Thicker

than

3”(76

mm),

forced

air-cooling

or

oil

quenching

or

theequivalent

from

normalizing

temperature

to

an

internal

work

piecetemperature

below

1000

F

(540

C)

may

be

necessary

to

achieve

theepending

onksi(620-760

MPa)-N/Al

ratio:

should

be

4

or

greater,

never

less

than

2.5required

mechanical

propertiesTPRX西/Tan安Th热erma工lPo研wer究Rese院arch有ins限titute公Co.司,Ltd·

Hardness美国ASME

对在役运行材料的硬度要求

In

pPercatci

inc

aPlr

lcdo

lPortable

Hardness

Testing1)

If

hardness≥

190HB

(

200HV)

.materialis

acceptable2)

If

hardness<

190HB(200HV),

additional

grinding(to

amax.of

minimum

wall

thickness)

andre-test3)

If

hardness≥190HB(

200HV)

,

material

is

acceptable4)

Ifhardness<190HB

(200HV)

,verify

microstructureMetallographic

Replication1)

If

microstructure

is

tempered

martensite

throughout,一

、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

282)

pi

bn

tempered

martensite

throughout,otlestaructures

accetirosrialiceIf

mmatremove

sample

for

destructive

analysis

and/or

submit

fordesign

review西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,LtdTPR/一、锅炉、四大管道与压力容器(2)9～12%Cr

新型耐热钢的金相组织2013/1/1

29西安热工研究院有限公司XI'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,LtdTPR/TPR/

西XI'a安nT热herm工alP研ower究Res院earc有hIn限stitut公eC司o,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器(

2)9～12%Cr

新型耐热钢的金相组织DL/T438

规定：此类钢金相组织中δ-铁素体量不超过5%;德国V&M公司认为DL/T438中对对此类钢金相组织中δ-铁素体量不超过5%的规定是合理的。2013/1/1

30●

Steel

melting

process:

To

be

focused

→

temperature

and

casting

speed,

casting

cooling

systems,

AOD

/VOD

process.Rolling

processheating

of

billets

as

also

the

right

use

oftoollng

for

the

rolling

process

influence

directly

theAccording

to

high

Cr

content

and

in

combination

with

other

elements

high

risk

of

cracking一、锅炉、四大管道与压力容器●

Heattreatmentchemlcal

composition

of

segregation

must

be

in

the

martensitic

field

of

Schaeffler-DlagramControl

ofelements

with

strong

segregation

tendency

llke

Cr,Mo,WCooling

speed

during

normalising

must

avoid

the

ferrite

nose5%

max.

ferrite

content

of

DLT

438

is

reasonable2013/1/1

31during

rolling.

To

be

focused

→

process

controlling

of

all

parameters

(tools

cooling,

temperature

and

shape)secondary

treatment

(VOD

etc.)

has

a

big

effect

on

the

quality

of

products

due

to

possible(Measuring

method

of

ferrite

content

should

be

standardized)segregatlon

processes

during

meiting.西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,Ltdquality

of

those

materials,ConclusionVALLOUREC

A

MANNESMANN

TUBETPR/1000600℃ECC-

平均20058%铁素体▲

0%铁素体——

ECC-Mean

2005正在检验下的样块Open

Symbol:

funning

test10Time(h)

10000

100000时

间(h)22一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

32Ferrite

influence

on

the

creep

rupture

strength

ot

P92西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,Ltd◆

8%

Ferrite▲

0%

FerriteSt

re

s

s

[MpalVALLOUKEC

A

MANNESMANN

TVBES负

荷

[

M

p

a

lTPR/1000100-Q一、锅炉、四大管道与压力容器3.2

WB36钢的硬度DL/T438

规定：此类钢的硬度180HB-252HB。ASME

SA335-08

不超过250HB

。

ASME的方法：同一炉批取样检测。2009年，某电力集团公司8台新建机组采用某外国公司的WB36钢管，其中70%的管子硬度超标，最高达300HB。2013/1/1

33试样编号位置Rp₀2(MPa)Rm(MPa)A(%)Z(%)KV₂(J)硬

度

，HBZS1外层74584518.069.5184.4277ZS2中层69081019.568.0163.9260ZS3内层82090517.568.0163.9291ZX1外层76586519.068.0153.8291ZX2中层68080518.567.0126257ZX3内层69080518.066.5140.9256DS1外层71081522.571.0195.9274DS2中层67078021.570.5200.4256DS3内层68577521.071.0216.5269DX1外层76086021.568.5178.6283DX2中层70082020.568.0167.2264DX3内层72081520.070.5203.1269EN10216ASMESA335≥440≥440610-780≥620≥19(轴)

≥15(轴)≥40(轴)≤250西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

Institute

Co.,LtdWB36硬度与拉伸强度关系TPR/TPR/

西安nThe热rmal工Po研wer究Rese院arch有Ins限titute公C司o,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器3.3

硬度试验现场硬度检测中，实验室台式硬度计测量的布氏硬度与里氏硬度检测换算的布氏硬度的差异。P91

钢布氏硬度

(HB)

与里氏硬度

(HLD)

的比对曲线。由图可见，在(180～190)HB

和(240～260)

HB

区间，里氏硬度检测换算的布氏硬度低于实验室台式硬度计测量的布氏硬度，在(180～190)

HB区间低约20HB。P92

钢布氏硬度

(HB)

与里氏换算布氏硬度

(HL-HB)

的比对曲线。由图可见，当布氏硬度小于200HB

时，里氏硬度计测量值低于台式硬度计测量值；当布氏硬度大于200HB小于270HB时，里氏硬度计测量值偏高；当布氏硬度大于270HB

时，里氏硬度计测量值偏低。2013/1/1

35一、锅炉、四大管道与压力容器3.3

硬度试验里HLDP91

钢布氏硬度

(HB)

与里氏硬度

(HLD)

的比对曲线HBP92

钢布氏硬度

(HB)

与里氏换算布氏硬度

(HL-HB)

的比对曲线2013/1/1

36西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

LtdTPR/HL-HB3.3

硬度试验里氏硬度试验注意事项硬度计设置的冲击装置型式D

型冲击装置——HLDDC

型冲击装置

HLDCG

型冲击装置——HLGC

型冲击装置——HLC冲击装置型式与下列因素有关：试样表面粗糙度

试样质量

试样最小厚度试样表面硬化深度

试样表面曲率半径

试样不得有磁性D

型冲击装置测量的硬度要注意轧制材料与锻造材料的不同，

HB300

以

下

，

HLD

对

应

的

轧

材

硬度低于锻材，且越低差异越大。对特定材料，必须标定。一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

37一、锅炉、四大管道与压力容器2013/1/1

383.4

硬度判据的执行西安热工研究院有限公司

Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

LtdTPR/TPR/

西XI'安anT热herm工alP研ower究Re院search有ins限titute公Co司,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器4奥氏体耐热钢管(1)奥氏体耐热钢管内壁蒸汽侧氧化(2)奥氏体耐热钢管冷弯后的热处理2013/1/1

39TPR/

西安热工研究院有限公司XI'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,Ltd(1)奥氏体耐热钢管内壁蒸汽侧氧化Explode

爆管2016tion

氧化皮脱落10

9:38AMBlocking

ofsteam

flow受热面堵塞2004

72940(1)奥氏体耐热钢管内壁蒸汽侧氧化防范措施：(1)检修中对管子下弯头堆积的氧化物进行检测，必要时割管倒出氧化物.(2)蒸汽吹扫。在机组停用较长时间启动时结合并网前的启炉过程对炉管

内残留的氧化皮进行吹扫。(3)采用化学清洗去除氧化皮，不仅在几年内可避免氧化皮脱落导致的爆管，还可防止汽轮机叶片冲蚀、提高过热器和再热器管寿命。(4)锅炉的启停过程必须采用合适的温度梯度滑停，防止由于热应力而引起的氧化皮大面积脱落，推荐在停炉前能够降低负荷或参数运行一段时间。(5)鉴于氧化皮在后继运行中会不断增厚，剥落风险增加。加强停炉时对受热面管子内壁附着氧化膜厚度的检测。(6)优选材料，包括采用细晶钢、内壁喷丸。41西安热工研究院有限公司Xi'an

Thermal

Power

Research

institute

Co.,

LtdTPR/TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有inst限itute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器4奥氏体耐热钢管(2)冷弯弯头固溶处理不佳导致的失效案例1:某电厂#5超临界锅炉高温过热器运行1946h后弯头断裂。压力/温度25.4MPa/5

71℃,

材料TP347H

、

规格为φ45×7.8

mm。2013/1/1

42TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有inst限itute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器4奥氏体耐热钢管(2)冷弯弯头固溶处理不佳导致的失效案例2:某电厂5号超超临界锅炉分隔屏TP347H

运行3840h后弯头断裂。材料TP347H、

规格为φ45×7.8mm。2013/1/1

43TPR/

西Xi'a安nTh热erma工lPo研wer究Rese院arch有inst限itute公Co,司Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器4奥氏体耐热钢管(2)冷弯弯头固溶处理不佳导致的失效案例3:某电厂3号炉2006年3月31日通过168小时试运行。5月30日以来高过

(TP347H)

发生四次泄漏。未见胀粗，内弯处有横向裂纹，无明显塑性2013/1/1

44变形。开裂起源于内弧侧外壁。TPR/

西Xi'an安T热herma工lP研ower究Res院earch有In限stitute公C司o,Ltd一、锅炉、四大管道与压力容器奥氏体不锈钢管的固溶处理DL/T438-2009

规程9.1.7条“弯曲半径小于2.5D或接近2.5D(D

为钢管直径)的奥氏体不锈钢管冷弯后应进行固溶处理，热弯温度应控制在要求的

温度范围，否则热弯后也应重新进行固溶处理”以往国内外标准对奥氏体不锈钢锅炉管冷加工后均要求进行固溶处理，国内大多数锅炉厂对于冷弯后的奥氏体不锈钢锅炉管均重新进行固溶处理，

以消除冷加工过程产生的残余应力。但1998年ASME增补了PG-

19条款

“奥氏

体材料的冷加工成型”,根据此条款中表格PG-19,

对冷加工的奥氏体不锈

钢锅炉管不同的变形范围给出了不同的热处理意见(见下表)。2013/1/1