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P92焊縫IV型蠕變開(kāi)裂機(jī)理一、焊縫的開(kāi)裂機(jī)理超超臨界機(jī)組的主再熱等蒸汽管道材料由于設(shè)計(jì)溫度在600℃及以上,通常采用P92鋼(10Cr9MoW2VNbBN),P92鋼是在P91(10Cr9Mo1VNbN)鋼的基礎(chǔ)上,通過(guò)添加2%左右的W,降低0.5%Mo含量以調(diào)整鐵素體與奧氏體形成元素的平衡(在耐熱鋼的合金化設(shè)計(jì)中,一般添加兩份的W量相當(dāng)于一份Mo量,用鉬當(dāng)量(Mo+1/2W)表示),W和Mo同時(shí)添加可有效提高鋼的強(qiáng)度,特別是鋼的蠕變強(qiáng)度。焊接接頭由焊縫、熱影響區(qū)和母材組成,熱影響區(qū)又分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)(又稱為不完全重結(jié)晶區(qū)),由于焊接接頭具有材料和力學(xué)性能的不均質(zhì)特性,因此高溫條件下是系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)之一。國(guó)際上根據(jù)蠕變裂紋產(chǎn)生的位置將焊接接頭的蠕變失效分為四種類型:Ⅰ型開(kāi)裂是指蠕變裂紋出現(xiàn)在且局限在焊縫金屬中;Ⅱ型開(kāi)裂是指蠕變裂紋出現(xiàn)在焊縫金屬中,并從焊縫金屬中向母材中發(fā)展;Ⅲ型開(kāi)裂是指蠕變破壞發(fā)生在粗晶區(qū)內(nèi);Ⅳ型開(kāi)裂是指蠕變破壞發(fā)生在細(xì)晶區(qū)或臨界區(qū)中。IV型蠕變開(kāi)裂是P92材質(zhì)焊接接頭的典型失效特征。其產(chǎn)生的根本原因是由于P92鋼的細(xì)晶區(qū)晶粒很細(xì)、是一個(gè)軟化帶,使得鋼的高溫持久強(qiáng)度低于其他區(qū)域,且在運(yùn)行(高溫時(shí)效)中,由于laves相和M23C6的進(jìn)一步長(zhǎng)大,使得鋼的蠕變強(qiáng)度進(jìn)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相發(fā)展過(guò)程中,較小時(shí)會(huì)起強(qiáng)化作用,但長(zhǎng)大到0.5μm以上時(shí),就會(huì)影響鋼的高溫性能。研究認(rèn)為0.5μm是對(duì)蠕變強(qiáng)度有利和不利的分界點(diǎn)。隨著laves相的進(jìn)一步長(zhǎng)大、析出,脫落就會(huì)形成蠕變空洞。根據(jù)國(guó)內(nèi)外金屬界大量的研究表明,P92材質(zhì)焊接接頭連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)7000h以上,細(xì)晶區(qū)和臨界區(qū)就有可能出現(xiàn)明顯的蠕變空洞,其中細(xì)晶區(qū)最嚴(yán)重,并隨著蠕變時(shí)間的增加,蠕變空洞長(zhǎng)大并逐漸聚合連接成裂紋,最終會(huì)在細(xì)晶區(qū)發(fā)生典型的IV型蠕變開(kāi)裂問(wèn)題。焊接接頭在不同溫度下的蠕變性能如下圖所示。600℃下1萬(wàn)小時(shí)后出現(xiàn)明顯分界點(diǎn)。P92鋼焊縫的減弱系數(shù)在600℃達(dá)到0.62,625℃時(shí)為0.53(正常設(shè)計(jì)時(shí)焊縫減弱系數(shù)取值一般為1)。如果存在彎曲應(yīng)力,它的減弱系數(shù)可以降到0.5或更低,也就是說(shuō)它的壽命會(huì)大幅度降低,綜合考慮1.5倍設(shè)計(jì)安全裕度后,正常10萬(wàn)小時(shí)也是P92鋼運(yùn)行控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。二、焊縫開(kāi)裂影響因素分析焊縫開(kāi)裂的主要影響因素有:一是運(yùn)行溫度,越高越不利(605/615/620℃)。二是應(yīng)力,越大越不利,如管道正常的內(nèi)壓應(yīng)力(周向應(yīng)力),膨脹應(yīng)力,結(jié)構(gòu)應(yīng)力(三通等部件的殘余應(yīng)力,吊架異常造成的附加應(yīng)力等。三是運(yùn)行時(shí)間,越長(zhǎng)蠕變孔洞會(huì)越大;四是焊接及熱處理,焊接熱輸入量大、偏離熱處理工藝及控制等;力學(xué)性能(如硬度低等);修復(fù)熱處理時(shí),原先焊縫熱影響區(qū)是否去除干凈等因素(此條很重要)。五是焊接熱循環(huán)次數(shù)(諸如焊接修復(fù)、挖補(bǔ)等);國(guó)內(nèi)有研究表明熱循環(huán)大幅度降低蠕變壽命,D/T438因此也規(guī)定,焊接熱處理不允許超過(guò)兩次。三、發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題情況1.系統(tǒng)外:玉環(huán)電廠(2006年投產(chǎn),600℃,我國(guó)第一臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組)運(yùn)行了9萬(wàn)多小時(shí),至今只有一個(gè)三通的肩部焊縫出現(xiàn)了裂紋、取樣管出現(xiàn)了開(kāi)裂,其他焊縫均未發(fā)現(xiàn)IV型裂紋。但是只運(yùn)行4萬(wàn)小時(shí)左右的國(guó)華綏中電廠,已經(jīng)有4道焊縫出現(xiàn)了IV型裂紋,這些焊縫均是基建安裝焊縫。2.集團(tuán)公司:目前發(fā)現(xiàn)了潮州3號(hào)主蒸汽、南京1號(hào)再熱蒸汽、寧德2號(hào)主蒸汽管道三起P92焊縫開(kāi)裂事件,機(jī)組累計(jì)運(yùn)行都在7萬(wàn)小時(shí)以上,而且全是返修過(guò)的焊口。返修后運(yùn)行時(shí)間分別為2.5/4.7/3.0萬(wàn)h不等。目前分析主要原因是與當(dāng)初的返修工藝有關(guān),都沒(méi)有采用增加短接方式,判斷返修時(shí)熱影響區(qū)沒(méi)有去除干凈,加劇laves相長(zhǎng)大析出,短時(shí)間內(nèi)即形成蠕變孔洞有關(guān)。3.經(jīng)過(guò)排查,集團(tuán)公司目前14家超超臨界機(jī)組的主、再熱、導(dǎo)汽管、旁路等系統(tǒng)管道共有大焊口6889道(不含取樣、表管、疏放水、排孔氣管及溫度表庫(kù)等小焊口)。累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的是7.9萬(wàn)h左右的呂四港、信陽(yáng)、龍崗、寧德(7.8萬(wàn)h)等電廠的機(jī)組。目前已經(jīng)按比例檢查3973道,占比57.67%,未檢2917道。返修過(guò)的焊口365道,返修后焊口復(fù)檢了187道,還有176道未復(fù)檢,返修后運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的有5-7萬(wàn)h,有信陽(yáng)、龍崗、呂四港、寧德、南京(主要基建返修口)等電廠機(jī)組。另外發(fā)現(xiàn)雷州新投的2臺(tái)機(jī)組存在著兩個(gè)較為嚴(yán)重問(wèn)題:一是存在彎頭與彎頭直接對(duì)接情況。即在每臺(tái)機(jī)組汽機(jī)房8.6米靠A排一熱管道分別設(shè)置一對(duì)彎頭與彎頭直接對(duì)接的情況(HR27對(duì)HR28)。二是共有59道彎頭與

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