新型耐热钢T/P92、T/P122在超超临界机组应用及监督探讨
刘鸿国 张 峰 常毅君
华能玉环电厂，浙江玉环，317604
摘要：本文介绍了新型铁素体耐热钢T/P92、T/P122在超超临界机组应用，目前使用过程存在的缺陷、失效示例，对原因进行初步的分析，提出了监督的方法及手段，以及提高安全可靠性的意见及建议，以期对其他超超临界机组的使用和监督提供借鉴意义。
关键词：超超临界；新型耐热钢；T/P92、T/P122；应用及监督
前言
华能玉环电厂、华电邹县电厂，外高桥电厂三期、国电泰州电厂等1000MW超超临界机组相继成功投入运行，创造了巨大经济和社会效益，标志着我们在超超临界火电技术领域有了跨越式的发展，火力发电技术与国外缩短了30～40年的，达到国际先进水平[1]。根据统计截至目前，我国投运的百万千瓦超超临界火电机组已有27台，总装机容量为2700万千瓦，在建的百万千瓦火电机组达到65台。2009年底华能国际与上海电气“1200MW等级超超临界机组示范工程合作协议”的签订，标志着更高等级参数USC机组研发和建设取得了实质性进展，我国已成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。世界的目光聚焦在中国，未来的超超临界发展在中国。优化发展煤电，提高燃煤机组效率和减少污染物排放的清洁高效燃煤发电技术，是积极应对气候变化，节能减排，构建以低碳排放为主的能源保障体系，实现2020年单位国内生产总值二氧化碳减排40%~45%目标具有重要的意义。
USC机组通过提高火电机组锅炉蒸汽温度、压力参数提高机组效率，温度参数600℃，压力27.MPa℃，锅炉效率43%，发电煤耗290标准煤，如能把蒸汽温度提高到７００℃，效率可提高到５６％，发电煤耗将大幅下降到２１０克标准煤[2]。但是由于我国USC机组高温高强度钢材研究基础薄弱，这一轮的大发展材料技术储备不足，一些新型耐热钢在使用过程先后出现了一些缺陷或失效如：T23开裂，T92分层、裂纹，T122早期失效及SUP304H、HR3C早期氧化皮剥落等问题，因此加强对新型耐热钢材料性能研究和使用监督，确保机组安全稳定运行，已成为支撑USC健康发展的关键。
1 应用、失效示例及原因分析
1.1 . 应用
图1 、三级再热器T122使用
分析哈锅、东锅、上锅目前国内三大锅炉制造厂受热面及管道选材，T23主要应用于水冷壁，
图2、国内现场首次T122焊接
图3、国内现场首只P92焊口焊接
一级过热器；T/P92主要用于一级、二级过热器，高再、高过集箱，主蒸汽管道，再热蒸汽管道及相联接的测量接管等。T/P122主要用于高温再热器、高再集箱，炉侧主蒸汽管道等。
其中T/P122主要在日本使用，国内有2个电厂使用，一个是玉环电厂，另外一个建设于98年基本上与日本同步投入如图1，目前，进行的剩余寿命安全性评估，得出剩余寿命不足，尽快更换TP347HFG的结论[3]。由于随着材料性能数据的逐步完善,P122的综合性能较差逐渐暴露出来,P92钢综合性能优越性显现出来,国内新建的超超临界没有再采用T/P122钢，即使在日本原来主蒸汽管道主要选用日本住友生产的P122，现在逐渐采用T/P92。
1.2 . 失效示例及分析
我国USC机组参数，在压力上高于日本，在温度上高于欧洲，在主蒸汽管道选择上并无一台相同机型可供借鉴[4]，我国的USC建设在摸索和探索中发展。华能玉环电厂和华电邹县电厂作为国内第一批次的超超临界百万机组，自首台投运以来，已经安全运行3年半了。现行修订后ASME高温许用应力数据比在设计之初采用的数据下降很多，这就使上述两个电厂按原数据建造主蒸汽管道厚度不足，成为“薄壁管”，它的运行安全性和使用寿命备受人们关注。虽然后续建造的一些USC机组都采用了新的数据，但是对这些新型钢材，我们仍然缺乏足够的认识，在新材料的国产化过程，在制造，安装过程的焊接、热处理工艺和运行后的组织性能变化规律金属监督分析评估上，需要不断掌握规律，总结经验。华能编制的新型钢T/P92焊接的三个导则对推动新型耐热钢使用，起了积极的推动作用。但是由于超常规的大量发展及集中大量上项目，一些单位对新材料消化吸收不足，研究不透，一些设计、制造单位选材用材不当，配管厂及施工单位对规范规程执行不严，导致一些建造中或运行后USC机组出现了焊缝开裂，表面裂纹等早期失效现象时有发生，应引起我们的高度重视。
1.3 . P92管道分层欠缺
某机组主蒸汽管P92钢焊口氩弧焊打底时，发现编号：40LBA11BR001-06管段坡口不断出现气孔，根部金属难以熔合，在排除了气孔产生原因由焊接人员水平及焊接设备因素所致后，对产生气孔的管端母材进行了各种方法的无损检测，发现在离坡口端部180mm内，3/4周向分布，深度距外表面64-68mm，存在较严重的母材内部缺陷9处，长度40～300mm、宽度20mm不等，缺陷在离坡口端面80mm以内整圈分布，缺陷性质类似于面积型断续块状平行于表面的分层折叠缺陷。常规射线探伤及超声波斜探头检测效果不明显，采用超声波直探头及测厚仪检验效果较好。GB/T20490-2006《承压无缝和焊接（埋弧焊除外）钢管分层缺欠的超声检测》（ISO10124-1994E等同采用转换2007-2月实施）适用于上述缺陷的检验，可作为检验依据。现场共检查发现6段管子存在分层欠缺，进行了换管处理。如图4~5。
上海外高桥、天津北疆电厂及后续建造的一些电厂的主蒸汽管道等依据玉环的经验进行的检查也发现类似的缺陷，新修订的DL/T438-2009条款里采用了玉环电厂的经验，增加了对高温高压管道端部0～500MM范围的超声波检查。
图4 缺陷反射波与底波波形 图5 割管换管消缺
缺陷产生的原因为：钢胚浇铸过程工艺不当或切冒头不足，钢胚内存在气孔类缺陷，或热挤压、冲孔成型后剪边不足存有缺陷。而厂家出厂验收的自动超声横波检验工艺对该类缺陷不敏感，端部200mm是盲区而漏检，致使不合格管段出厂。现场发现的缺陷只存在于某管段的单边而不是双边，印证了钢胚缺陷的主要可能性。
1.4 . P92集箱焊缝开裂
某电厂#2炉，高再、高过集箱为日本制造，材质P92在运行1年后检修中射线和超声检查管子焊缝存在的大量不同深度的裂纹，其中需要10个焊口需要挖补或切割消缺， P92和P122虽然都是高Cr耐热钢，但焊接工艺并不完全相同，日本方面P122的应用业绩较多，P92的业绩较少，所以对P92的自动焊接工艺可能存在一些问题。电厂和哈锅分析裂纹的原因也倾向于焊接工艺存在问题。
图6 集箱开裂
1.5 . P92管道焊缝开裂
某电厂#8锅炉，运行1.1万小时后，第一次大修检查发现，锅炉出口A侧水平段的主汽管道（材质A335-P92，规格φ540×85mm，运行温度605℃、压力26.25MPa），编号ZQ-4的焊缝边缘有一条环向裂纹。裂纹发生环焊缝与北侧母材的熔合线上，4点～7点的位置，即吊焊口的底部位置，位置与走向完全与焊缝熔合线吻合，长约370mm呈曲直线形，裂纹肉眼清晰可见，中间可见明显张口，裂纹两端呈细钝状。裂纹处存有咬边和夹查缺陷，咬边深度＞0.5mm，呈间断分布，总长度约30mm。如图7。
图7 主汽裂纹，运行1.1万小时
某电厂＃3锅炉投运4个月，B侧再热器出口管道，（材质为SA-335P92，规格为φ836×46mm，运行温度600℃、压力27.46MPa），出锅炉后第一只弯头处水压堵阀与直管段。运行中发现对接焊缝有贯穿性裂纹，裂纹处于安装焊缝中间部位，走向为周向裂纹，5点～10点位置，6点位置处裂纹已穿透焊缝，外表面裂纹长度为650mm左右，如图8。
图8 热段裂纹，运行4个月
缺陷产生的原因：焊缝裂纹都发生在弯头处水平段对接焊缝仰焊处，型式结构和系统布置结构呈现应力较大重叠的位置，其中主汽焊缝硬度较高，热段硬度合格，焊缝裂纹很可能是原始缺陷或裂纹在起、停过程的热应力和运行过程内压应力的作用下逐步发展起来的，运行中管道下部承受轴向附加拉应力，促进了裂纹的扩展。同时由于在仰焊处，焊接位置困难，焊接的线能量，焊层厚度控制较难，一些单位吊焊位置采用Ф4.0mm 焊条盖面，在工艺控制上较为困难，同时没有严格执行焊接、热处理工艺。
1.6 . 主蒸汽管道表面微裂纹
某电厂在进行#3、#4机组安装过程中，对现场正在安装的P92钢主汽管道配管厂焊缝进行全面磁粉检测发现较多数量焊缝表面存在微裂纹，这种缺陷P92配管厂较为普遍存在。由于裂纹缺陷较细小，检验时要求对焊缝表面采用纸砂轮磨光后，磁粉探伤施加背景增强剂，方便检测确认。缺陷特征为焊缝表面裂纹，长度5-20毫米不等，稍打磨1-2毫米即可消除。经过大量的试验分析，该类裂纹既非常见的焊接热裂纹，也非延迟裂纹（氢致裂纹）,可能是P91\P92钢焊缝的高应力马氏体在潮湿环境作用下产生的应力腐蚀[5]。
产生缺陷的主要原因是焊后没有及时热处理，如果焊后热处理不能及时进行，需要进行后热处理，并采取特殊措施，否则及时进行了严格的后热处理，焊缝表面仍会产生微裂纹。
图9 主汽表面微裂纹 图10 小接管对接焊缝开裂
1.7 . T92小接管对接焊缝开裂
某电厂#1锅炉A侧主蒸汽管道运行17607h，蒸汽取样管泄漏，（材质T92/T91，规格Φ32×8 / Φ32×7.5mm，运行温度605℃、压力27.56MPa），开裂在异种钢T92侧。图10为取样管开裂位置及形貌，裂纹距离熔合线约2～4mm，走向与熔合线平行，朝主蒸汽管方向看，外壁裂纹位于7:30-12:30之间，长度约41mm；焊缝两侧管子均未发生明显塑性变形及胀粗。
发生IV型开裂早期失效的主要原因是管子及支吊架布置不佳引起的高应力蠕变失效，管子布置柔性不足，由热膨胀及端点附加位移造成管子二次应力过高造成的[6]，同时部件结构设计的不合理加剧了应力超标。
图11裂纹附近的蠕变空洞和蠕变小裂纹形貌 图12低温打断区SEM照片，蠕变空洞
2 质量控制、监督
2.1. 焊接工艺、热处理工艺控制
目前我国建造的USC机组，新采用的新型耐热钢主要有，T/P92，T/P122，Sup304H，HR3C，其中T/P122只用在玉环，后续建造的一些机组进行了一些优化，均不再采用T/P122。T/P92，T/P122焊接性问题主要有：焊接韧性低、冷裂纹倾向、Ⅳ裂纹及焊缝的失效。施焊中要求强化工艺规律，规范操作过程，对焊接全过程进行监控，特别注意焊缝层间温度控制，实践表明，P92钢焊接对层间温度敏感性很强，当层间温度超过300℃，出现裂纹的可能性就会增大。
玉环电厂在联合西安院、浙江火电、天津电建共同进行焊接工艺评定及现场焊接施工过程中发现：P92、P122钢的性能对工艺的敏感性比P91高，尤其是对热处理温度更加敏感。为了保障新型耐热钢的焊接和热处理质量，在大量实验研究和工程实践的基础上，制定了3个华能企业的标准来规范P91、P92的焊接和热处理，（华能电厂P92钢焊接工艺实施细则；焊后热处理工艺导则和质量检验导则），上述导则对于推动该类钢材在国内的成功应用起到积极重要作用。在工程实践中需要认真规范执行，有些单位在未能充分理解和把握P92等新型钢的焊接特性，特别是对层间温度控制和热处理温度精确控制，焊缝组织和硬度指标不符合规范要求，给日后的安全运行埋下隐患。
新型耐热钢TP92_TP122在超超临界机组应用及监督探讨[1].doc
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