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电站锅炉异种钢焊接接头结构完整性研究分析

来源: 作者:ndt 人气: 发布时间:2024-03-29
摘要:前言 火力发电在我国电力能源工业中具有特别重要的地位,约占我国发电总量的70%以上,在近一 段时间,核电和风力发电得到了较快的发展,但火力发电仍为我国电力工业发展的重中之重。火电 建设将主要发展超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组以进一步提高机

前言

火力发电在我国电力能源工业中具有特别重要的地位,约占我国发电总量的70%以上,在近一 段时间,核电和风力发电得到了较快的发展,但火力发电仍为我国电力工业发展的重中之重。火电 建设将主要发展超临界(SC)和超超临界(USC)火电机组以进一步提高机组效率、降低煤耗、保 护环境、减少CO2 的排放。水转为蒸汽的临界状态点的参数为:压力22.13 Mpa、温度374.15°C,当 蒸汽参数大于上述临界点的压力和温度值时,称其为超临界参数。国际上普遍认为机组新蒸汽压力超 过24.2 MPa,或温度超过566°C,则属于超超临界机组的范畴。

从目前世界火力发电技术水平看,提高火力发电厂效率的主要途径是通过提高蒸汽的参数,即 提高蒸汽的压力和温度。国内外投用的超超临界机组其蒸汽压力与蒸汽温度已分别达到31.4MPa、 593℃,如国电浙江北仑第一发电有限公司三期2×1000MW 超超临界燃煤发电机组,机组锅炉为东 方锅炉厂引进日本巴布科克-日立公司(BHK)技术生产的DG3000/27.46-II 型超超临界直流锅炉, 汽轮机由上海汽轮机有限公司引进德国西门子公司技术制造的超超临界机组, 参数为 26.25MPa/600ºC/600ºC。如此高的蒸汽参数就要求机组关键部件金属材料使用在更高温度下保持高温 强度的钢材,否则,必要会使构件的壁厚成倍增大。应该说,电力技术的发展在很大程度上依赖于 材料技术的发展水平。自20 世纪80 年代以来,欧美、日本等发达国家已相继开发出一系列用于临 界甚至超临界条件上下的各类耐热钢材,其中典型的包括T91/P91、T92/P92、T122/P122、Super304H 等,这些钢材已成为我国新建大容量高参数机组的首选材料。

电站锅炉各受热面管及承压部件工作环境十分恶劣,长时间承受高温高压蒸汽、炉膛火焰以及 高温烟气对管道腐蚀、氧化、冲蚀等作用,这对于管构件的可靠性有较高的要求。而做为电站锅炉 管构件的主要组成部分,众多的焊接接头是结构的薄弱环节,焊接接头自身在组织、成分、性能上 的不连续以及制造过程中可能出现的缺陷使得接头较母材更容易出现先行失效而影响锅炉的安全运 行。从设计经济性角度考虑,电站锅炉各部件由不同位置和使用温度而选用不同材料进行制造是目 前广泛接受的设计制造方法,比如,选择热强度、韧性、抗热疲劳性能优异的T91 钢应用临界、亚 临界锅炉的过热器与再热器的高温段,而与之相连接的低温段则采用相对普通的贝氏体、珠光体耐 热钢如12Cr1MoV,这就造成电站锅炉制造过程中产生一批如T91/12Cr1MoV 对接连接的异种钢焊 接接头。异种钢接头焊接性要比同种钢复杂得多,接头性能较同种钢更难保证,安全性要求更显突 出。承压结构异种钢焊接接头作为设备的薄弱环节已日益为工程界所注意,在《蒸汽锅炉安全技术 论文集 525 监察规程》和《火力发电厂金属技术监督规程》中,对异种钢焊接接头的监察和监督检验,都有严 格的规定,严于同种钢焊接接头。准确预测焊接接头尤其是异种钢接头的高温失效、保证高温设备 及管道的结构完整性,是实现设备安全运行和设备寿命最优设计的重要环节。

一、电站锅炉异种钢接头的先行失效问题 不同铁素体钢之间(F/F)、铁素体与奥氏体钢之间(F/A)形成的焊接接头是两大类电站异种 钢焊接接头。表1 列出目前国内外典型电站锅炉用异种钢焊接接头组合。随着新型高等级钢材如P92、 T23、T122 等在电站锅炉上的应用,P92、T23 等钢不同组合的异种钢接头也会大量出现。 表一:

国内外主要的电站锅炉用异种钢焊接接头 异种钢接头类型异种钢接头组合 铁素体钢/铁素体钢(F/F) TP304(TP347)/12Cr1MoV; TP304(TP347)/ 12Cr2MoWVTiB; TP304(TP347)/10CrMo910; TP304(TP347)/T91 铁素体钢奥氏体钢(F/A) T91/12Cr1MoV; T91/12CrMoWVTiB; T91/10CrMo910 国内外实践经验表明,处于高压、高温、热疲劳与高温蠕变使本身就在组织与性能不连续的焊 接接头区域更易发生损伤失效。

这些失效主要由如下原因引起:

(1)接头两侧异质钢材料在力学性 能以及热膨胀系数(CTE)存在较大差异(如:奥氏体钢与铁素体钢热膨胀系数分别为18 和1410-6/K) 引起接头界面高应力[1];

(2)接头两侧异质母材焊接冶金问题,如接头脆性相的生成与稀释[2];

(3) 异质钢接头熔合线两侧碳迁移[3];

(4)异质钢接头连接界面的择优氧化[4];

(6)异质接头焊接残余应 力[5];

(7)频繁温度或压力变化引起的疲劳失效[6];

(8)高温长时蠕变失效[7]。

通常,接头失效是由 上述多种因素交互作用产生的,蠕变、疲劳是接头失效的最主要诱因。接头组织的不均匀性而由此 引起的蠕变性能的不均匀性将会使其存在的强度大小不一致、塑性高低不一致的区域。这些组织不 同的区域在使用过程中将会产生不同的蠕变速率,导致接头中应力的错配和早期失效。相比而言, 异种钢接头失效往往先于受热面管件产生失效,采用奥氏体填充金属的接头早期失效的概率比镍基 的高,其失效部件主要发生于铁素体钢侧的热影响区或接头连接界面区域,而且开始发生失效的时 间早在失效时机上受接头自身组织性能、服役状态的影响而具有随机性,据不完全统计,电站锅炉 异种钢接头先期失效的时间通常在接头运行10000h 就可能发生,已有大量在运行30000h~100000h 时发生先行失效的事故案例[8],这种随机的早期失效现象常造成锅炉的非计划停炉检修甚至造成重 大事故。

国外电厂对于异种钢焊接接头的关注已有较长时间,而我国自20 世纪80 年代后期才开始大量 采用异种钢焊接接头。根据国外经验,我国也将在大量使用异种钢焊接接头、尤其是高参数电站锅 炉中使用异种钢焊接接头运行10 年后可能遇到接头先行失效情况;况且由于大量国外先进材料的引 入,而我国对材料基础性能以及长时高温性能研究的严重缺失,将很有可能出现无法应对由于电站 锅炉异种钢焊接接头先期失效对于设备安全带来的严重威胁,无法对于电站锅炉运行给予安全可靠 2011 年特种设备安全与节能学术交流会 526 的监察并做出合理的修复方案。

二、电站锅炉异种钢接头的结构完整性评价

火电锅炉设计安装过程经济性的重要体现就在于大量使用异种钢焊接接头,即重要高温承压部 位使用高强度等级耐热钢,而对低温段的钢材料要求则相对较低。在对先进高强耐热钢材料的深入 研究与开发基础上,美国电力研究所EPRI、日本EPDC、欧盟COST计划等均在深入研究开发高耐热 钢材料的同时,将材料焊接尤其是异种材料钢接的可焊性、焊接工艺、焊接材料、焊接质量控制等 方面内容列为项目的重要部分。此外,芬兰国立技术研究中心(VTT)的―ERIPARI‖项目[9]、欧盟联 合研究中心总署(DG JRC)联合荷兰能源研究所的―ADIMEW‖项目[10]分别针对电站耐热材料的异种 钢焊接结构完整性评定的专项基金项目;我国也在上世纪90年代后期陆续开展了基于国内设计制造 和使用过程中的300MW、600MW火电机组锅炉过热器和再热器异种钢接头失效、焊接工艺方面的研 究,由由电力锅炉压力容器安全监督管理委员会组织、苏州热工院、西安热工院等电力研究院所联 合发起组建的―超(超)临界锅炉用钢及焊接技术协作网‖研究平台,已极大地推动了我国高参锅炉 用钢及焊接技术的自主化进程[11],但需要认识到的是,国内在对新型耐热钢焊接技术方面的研究由 于国内新耐热材料研发的相对滞后以及电厂锅炉采用A/F异种钢接头历史较短而起步较晚,在对新型 耐热钢性能、焊接尤其是用于异种钢焊接及焊后热处理工艺、焊接材料的研究及焊接技术管理等方 面与国外先进水平存在着相当大的差距,缺少关键技术的自主化。随着国内先期运行的临界、超临 界等高参数锅炉机组即将进入可能的先期失效期,以及新型高等级耐热材料在国内超超临界参数电 站锅炉上的大量应用,针对新型耐热材料异种钢焊接接头的研究将是一个急迫而持续的过程。

上世纪80年代,EPRI就发起组织围绕电站锅炉异种钢先行失效的研究项目[12],主要针对使用309 奥氏体填充材料焊接的奥氏体-铁素体异种钢接头(过热管/再热管段),名为―PODIS‖的评估软件 被开发并用来预测异种钢接头在温度、接头类型、应力状况等因素影响下的接头损伤累积情况。90 年代,纽约电能研究公司(Empire State Electric Energy Research Corporation,ESEEPCO)对PODIS 系统的应用结果评价为对目前高参数锅炉应用最广泛的镍基异种钢焊接接头预测结果过于保守,随 后其研究开发的―DMW LIFE‖取代PODIS被美国SI公司(Structural Integrity Associates, INC)采用被 广泛应用于锅炉

异种钢接头运行状态下的失效预测[13]。欧洲最近开展的若干针对异种钢接头完整性 的研究也取得了部分成果[10]:DISWEC项目研究异种钢接头高温腐蚀环境影响下的长时腐蚀开裂评 估技术,取得了部分异种钢接头腐蚀开裂数据以及开裂过程量化的测试技术;BIMET项目针对双金 属焊接部件的结构完整性进行了专项研究,得出一套实验与模拟相结合的用于评价双金属接头表面 缺陷行为的分析与验证方法;前面得到的ADIMEW项目重点研究含异种钢焊接接头炉管劣化状态完 整性评估技术,将异种钢焊接接头缺陷无损检测、材料表征、应力与断裂分析、焊接残余应力预测 纳入异种钢接头完整性评价框架,为我们开展类似相关研究提供了方法参考。国内近年来也逐步开 展了针对异种钢接头性能评价、A/F和F/F异种钢接头先行失效分析及预防对策[14]以及异种钢接头开 裂机理[15]等方面的研究, 异种钢焊接接头完整性是一个涉及接头焊接评定、异质接头先行失效分析、接头运行状态监测 与缺陷检测、含缺陷异质接头修复以及焊接接头寿命评价等内容的用于综合评价异种钢焊接接头运  论文集 527 行可靠性的技术体系[10,16](图1)。目前国内还没有一套系统地针对电站锅炉异种钢焊接接头组织结 构完整性评价技术。其现状就是研究内容相对分散,主要集中于异种钢焊接接头性能研究[17]、接头 残余应力预测[18]与模拟、失效机理分析研究[19,20]等;目前已开展的针对电站锅炉―四管‖等高温承压 部件的状态检测和寿命评估也是仅以管体本身为主要对象而进行,其重点在于以高温、高压、腐蚀 环境交互作用下的锅炉关键部件金属监督和工作为主[21],基本在于配合电力工业关于火电设备金属 构件安全运行的技术和管理工作[22]。而国内目前还没有专门针对电站锅炉关键部件异种钢焊接接头 服役安全状况及寿命评估工作的技术性规程文件,用以指导应对即将大量可能出现的高参数运行状 态下异种钢接头先行失效、状态监测以及延寿等的应对工作。 电站锅炉异种钢焊接接头完整性评价技术 发现缺陷需要 去缺陷处理 蠕变损伤导致 接头缺陷产生 高温先期失效机理 缺陷在线无损检测 含缺陷接头焊接修复 先期失效时机 先期失效特征 基于超声、声发射等的用 于高温直接在线监测的无 损检测 接头修复技术 接头修复性能评价 接头修复后寿命评价 图1 电站锅炉异种钢焊接接头完整性评价体系

三、电站锅炉异种钢接头结构完整性研究方向 国内外学者对于电站锅炉异种钢接头研究已从不同角度进行了广泛地研究,但应该说,要从材 料焊接性能、失效与延寿、状态监测等方面对接头进行系统的研究与案例状况评价,还需要很多工 作要做。笔者认为,将电站锅炉异种钢接头从电站锅炉整个结构安全性研究引出而专门对其结构完 整性研究,主要还在于异种钢接头的安全状况直接影响电站锅炉的连续安全运行,从状况监测、失 效以及修复延寿等角度对异种钢接头进行完整性评价研究,获得对于保证接头安全运行的一体化评 价技术是有现实意义的。异种钢接头结构完整性研究技术潜在的研究方向主要有以下方面: 3.1 基于新型耐热合金钢异种钢焊接接头先行失效机理研究 目前正在建造的临界、超(超)临界机组,将要采用大量新型细晶强韧化铁素体热钢系统中的 SA213-T23、T24、T91、T92、T122、SA335-P91、P92、P122 和E911;新型奥氏体细晶耐热钢Super304H、 TP347HFG 和高铬高镍奥氏体钢HR3C、NF709、SAVE25 等。随着材料技术的飞速发展,可用于高 参数锅炉的新型耐热合金钢材不断涌现,材料研发周期缩短,其在用过程性能及运行数据积累工作 压力增加,而基于新材料的在用异种钢焊接接头安全状况研究也需要持续研究,尤其异种钢接头先 于母管部件发生的失效机理与预防是研究重点。而对于接头失效,高温与应力共同作用下的蠕变和 疲劳失效则是研究的核心问题。

具体可以总结如下几个方面:

(1):失效的时机问题:异种钢接头失效时机的规律性统计;影响接头失效的外在影响因素(材 料类型、焊接材料、运行环境等)。  2011 年特种设备安全与节能学术交流会 528

(2):失效的冶金学与力学机理。

(3):失效周期预测模型。

3.2 运行状态中异种钢焊接管道接头的缺陷检测技术 对高温运行环境下关键部件进行在线检测(In-Service Inspection,ISI)是电厂锅炉机组实施金 属监督的重要组成部分。一般地,为减少锅炉非必要情况下的停炉维护造成的损失,确保生产的连 续性,电力企业更倾向于金属监督过程实行在线高温状态下的材料损伤检测与监测,而国内真正应 用于在线运行状态下的非接触无损探伤技术还比较少见,尤其是专门针对具有复杂组织和非均匀性 能的异种钢焊接接头的缺陷检测。由于高温国内外研究者一直致力于用无损的方法诊断金属材料的 微观损伤和在线状态评价。应该说,目前对于高温运行状态下的金属材料无损检测与监测,为避免 高温环境对检测操作以及检测结果的不利影响,通常采用非接触式或可耐高温探头式方法进行材料 在线监测。目前应用已相对成熟的超声、射线、声发射以及红外技术仍旧是高温构件尤其是高温运 行环境下焊接接头在线检测的重要无损方法[23]。比如:带耐高温压电晶片的高温超声探头用于高温 不停车状态下的对接焊缝超声探伤[24];定量检测高温状态下的管道蠕变微裂纹缺陷的声发射方法 (QAE NDI)[25];TOFD方法在锅炉焊接接头内部蠕变损伤(III类或IV类)检测的应用[26];装配非 接触式无耦合剂的电磁声学传感器(EMAT)逐渐被用于测量常高温状态下的焊缝缺陷等[27]。因此, 研究高温环境服役条件下异钟钢焊接接头的缺陷在线检测也将在常温超声、声发射、红外成像等技 术的基础上发展相关耐高温探头、非接触形式式信号采集、缺陷检测的定量表征的等技术的研究工 作,同时,如何将这些技术工程化也是研究需要达到的目标。

3.3 含缺陷异种钢焊接接头焊接修复评价技术 针对已经检测出缺陷的焊接结构,采用局部截断更换和含缺陷部位挖补修复焊接是目前国内外 电力、石化行业处理含缺陷结构的常用方法。通常,将含缺陷结构截断后更换焊接相同或更高级别 材料方法成本较高,同时会由于焊接接头的数量的增加而降低结构的可靠性;对含缺陷部位挖补修 复相对经济,但技术要求相对较高,同时存在由于修补焊接而带来的二次缺陷以及原修补区域组织 异化等风险。电力、石化行业一般都欧盟组织实施的―Integrity‖项目[28]已着力研究发展高温服役构件 修补焊接的完整性评价技术,这涉及到补焊前材料与工艺准备、焊接填料选择、焊接方法选择(半 焊道法--half-bead 和回火焊道法――Temper-bead)、焊后接头组织表征与性能研究以及修补焊接 头寿命评价等研究内容。由于修补焊接常应用于强度相对薄弱的含缺陷焊接接头区域,而含缺陷异 种钢接头在进行焊接修复时由于接头异质材料性能不匹配、焊接填料选择和铁素体材料HAZ 区焊接 脆化等特殊原因增加了修复的难度和修复后接头的不可靠性,因此有必要专门针对含缺陷异种钢焊 接接头焊接修复评价技术进行研究,其主要内容包括:

(1)含缺陷异种钢接头安全运行的缺陷可接受准则的建立;

(2)含缺陷异种钢接头修复技术研究;

(3)异种钢接头缺陷修复后性能评价;

(4)含缺陷异种钢接头修复运行寿命评价技术。 论文集 529

四、结语 异种钢焊接接头完整性是一个涉及接头焊接评定、异质接头先行失效分析、接头运行状态监测 与缺陷检测、含缺陷异质接头修复以及焊接接头寿命评价等内容的用于综合评价异种钢焊接接头运 行可靠性的技术体系,作为影响电站锅炉安全可靠运行的关键结构性部件以及电站锅炉金属监督的 重点,基于不断发展的新型耐热材料的电站锅炉异种钢接头的结构完整性研究需要得到足够的重视, 应将其从电站锅炉整个结构安全性研究引出而进行专门研究对其结构完整性研究,并将―失效机理 缺陷检测缺陷处理修复后评价‖做为一套承前启后、相互关联的一体化技术进行研究,在保证关 键部件可靠运行的基础上来实现电站锅炉整体结构运行风险的降低,并在一定程度上符合国家特种 设备安全行业―资产完整性管理‖战略的目标要求[29]。

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