P92焊缝IV型蠕变开裂机理

P92焊缝IV型蠕变开裂机理一、焊缝的开裂机理超超临界机组的主再热等蒸汽管道材料由于设计温度在600℃及以上，通常采用P92钢（10Cr9MoW2VNbBN），P92钢是在P91（10Cr9Mo1VNbN）钢的基础上，通过添加2%左右的W，降低0.5%Mo含量以调整铁素体与奥氏体形成元素的平衡（在耐热钢的合金化设计中，一般添加两份的W量相当于一份Mo量，用钼当量（Mo+1/2W）表示），W和Mo同时添加可有效提高钢的强度，特别是钢的蠕变强度。焊接接头由焊缝、热影响区和母材组成,热影响区又分为粗晶区、细晶区和临界区(又称为不完全重结晶区),由于焊接接头具有材料和力学性能的不均质特性,因此高温条件下是系统最薄弱环节之一。国际上根据蠕变裂纹产生的位置将焊接接头的蠕变失效分为四种类型:Ⅰ型开裂是指蠕变裂纹出现在且局限在焊缝金属中;Ⅱ型开裂是指蠕变裂纹出现在焊缝金属中,并从焊缝金属中向母材中发展;Ⅲ型开裂是指蠕变破坏发生在粗晶区内;Ⅳ型开裂是指蠕变破坏发生在细晶区或临界区中。IV型蠕变开裂是P92材质焊接接头的典型失效特征。其产生的根本原因是由于P92钢的细晶区晶粒很细、是一个软化带，使得钢的高温持久强度低于其他区域，且在运行（高温时效）中，由于laves相和M23C6的进一步长大，使得钢的蠕变强度进一步下降。LAVES相：A2B，即(Fe，Cr)2(Mo，W)，P91（10Cr9Mo1VNbN）里主要是(Fe，Cr)2Mo，P92（10Cr9MoW2VNbBN）里主要是(Fe，Cr)2(Mo，W)laves相发展过程中，较小时会起强化作用，但长大到0.5µm以上时，就会影响钢的高温性能。研究认为0.5µm是对蠕变强度有利和不利的分界点。随着laves相的进一步长大、析出，脱落就会形成蠕变空洞。根据国内外金属界大量的研究表明，P92材质焊接接头连续运行时间超过7000h以上，细晶区和临界区就有可能出现明显的蠕变空洞,其中细晶区最严重,并随着蠕变时间的增加,蠕变空洞长大并逐渐聚合连接成裂纹,最终会在细晶区发生典型的IV型蠕变开裂问题。焊接接头在不同温度下的蠕变性能如下图所示。600℃下1万小时后出现明显分界点。P92钢焊缝的减弱系数在600℃达到0.62，625℃时为0.53（正常设计时焊缝减弱系数取值一般为1）。如果存在弯曲应力，它的减弱系数可以降到0.5或更低，也就是说它的寿命会大幅度降低，综合考虑1.5倍设计安全裕度后，正常10万小时也是P92钢运行控制的关键节点。二、焊缝开裂影响因素分析焊缝开裂的主要影响因素有：一是运行温度，越高越不利（605/615/620℃）。二是应力，越大越不利，如管道正常的内压应力（周向应力），膨胀应力，结构应力（三通等部件的残余应力，吊架异常造成的附加应力等。三是运行时间，越长蠕变孔洞会越大；四是焊接及热处理，焊接热输入量大、偏离热处理工艺及控制等；力学性能（如硬度低等）；修复热处理时，原先焊缝热影响区是否去除干净等因素（此条很重要）。五是焊接热循环次数（诸如焊接修复、挖补等）；国内有研究表明热循环大幅度降低蠕变寿命，D/T438因此也规定，焊接热处理不允许超过两次。三、发现的问题情况1.系统外：玉环电厂（2006年投产，600℃，我国第一台百万机组）运行了9万多小时，至今只有一个三通的肩部焊缝出现了裂纹、取样管出现了开裂，其他焊缝均未发现IV型裂纹。但是只运行4万小时左右的国华绥中电厂，已经有4道焊缝出现了IV型裂纹，这些焊缝均是基建安装焊缝。2.集团公司：目前发现了潮州3号主蒸汽、南京1号再热蒸汽、宁德2号主蒸汽管道三起P92焊缝开裂事件，机组累计运行都在7万小时以上，而且全是返修过的焊口。返修后运行时间分别为2.5/4.7/3.0万h不等。目前分析主要原因是与当初的返修工艺有关，都没有采用增加短接方式，判断返修时热影响区没有去除干净，加剧laves相长大析出，短时间内即形成蠕变孔洞有关。3.经过排查，集团公司目前14家超超临界机组的主、再热、导汽管、旁路等系统管道共有大焊口6889道（不含取样、表管、疏放水、排孔气管及温度表库等小焊口）。累计运行时间最长的是7.9万h左右的吕四港、信阳、龙岗、宁德（7.8万h）等电厂的机组。目前已经按比例检查3973道，占比57.67%，未检2917道。返修过的焊口365道，返修后焊口复检了187道，还有176道未复检，返修后运行时间长的有5-7万h，有信阳、龙岗、吕四港、宁德、南京（主要基建返修口）等电厂机组。另外发现雷州新投的2台机组存在着两个较为严重问题：一是存在弯头与弯头直接对接情况。即在每台机组汽机房8.6米靠A排一热管道分别设置一对弯头与弯头直接对接的情况（HR27对HR28）。二是共有59道弯头与