超超临界在役机组管道返修的探讨（科技论文）.doc

一、论文基本情况论文名称（长度不能超过30字）超超临界在役机组管道焊口返修的探讨论文摘要(中文) （长度不能超过200字）某电厂660MW超超临界机组，在对四大管道等焊缝进行金属监督无损检测过程中，发现四大管道焊缝存在多处超标缺陷，根据缺陷存在部位、性质，部分进行挖补处理。修复后虽然无损探伤合格了，但是焊接接头的机械性能和寿命却受到了很大损害。关键词(中文) （最少提供三个，用分号“;”做分隔）超超临界；厚壁管挖补； 性能寿命；损害论文摘要(英文) （对应中文摘要的英文）关键词(英文)（对应中文关键词的英文）主要技术论点（长度不能超过200字）超超临界机组在对四大管道等焊缝进行金属监督无损检测过程中，发现四大管道焊缝存在多处超标缺陷，根据缺陷存在部位、性质，部分进行挖补处理。修复后虽然无损探伤合格了，但是焊接接头的机械性能和寿命却受到了很大损害刊物名称(出版社)超超临界机组技术交流2012年会论文集ISSN(ISBN)期刊号(出版日期)2012年12月6日刊物主办单位中国动力工程学会刊物级别（国家级(全国性期刊或核心期刊)、省级）（国家级）是否被SCI、EI、ISTP、ISR收录SCI、 EI、ISTP、ISR 、否论文实际完成时间：2012.10所属专业：金属专业二、主要完成人：项目超超临界在役机组管道焊口返修的探讨姓名刘效东完成人排序1性别男出生地内蒙古民族汉出生年月1963.04.02 党派中国共产党国籍中国身份证政职务归国人员归国时间工作单位江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司办公电讯地址江苏省启东市吕四港镇秦潭村邮政编码226246电子邮箱移动电话 毕业学校河北电力职工大学文化程度本科最高学位 学士技术职称高级工程师专业专长继保专业毕业时间1994.7 参加论文的起止时间起始时间2012.1完成时间2013.02曾获得奖励及荣誉称号情况主要研究领域超（超）临界机组高温受热面氧化皮综合治理汽轮机自动控制 电气继保等火电机组协调控制660MW超超临界机组设备综合治理项目超超临界在役机组管道焊口返修的探讨姓名高向阳完成人排序2性别男出生地内蒙古民族汉出生年月1968.3.20党派中国共产党国籍中国身份证政职务归国人员归国时间工作单位江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司办公电讯地址江苏省启东市吕四港镇秦潭村邮政编码226246电子邮箱移动电话 毕业学校北方交通大学文化程度本科最高学位 学士技术职称高级工程师专业专长热动毕业时间2008.7参加论文的起止时间起始时间2012.1完成时间2013.02曾获得奖励及荣誉称号情况主要研究领域超（超）临界机组高温受热面氧化皮综合治理集控自动化控制 火电机组协调控制 项目超超临界在役机组管道焊口返修的探讨姓 名蒙殿武完成人排序3性 别男 出 生 地内蒙古赤峰市民 族蒙出生年月19691002党 派国 籍身份证政职务 归国人员归国时间 工作单位江苏大唐国际吕四港发电有限责任办公电讯地址江苏省启东市吕四港镇秦潭村邮政编码226246 家庭住址江苏省启东市大唐佳苑住宅电话电子信箱移动电业学校沈阳工程学院文化程度专科最高学位参加论文的起止时间起始时间2012.1完成时间2013.02曾获得奖励及荣誉称号情况吕四港发电公司2012年度劳动模范主要研究领域金属检测及监督管理项目 姓名王力强完成人排序4性别男出生地内蒙古赤峰市民族蒙出生年月1970.08.00党派中国共产党国籍身份证政职务归国人员归国时间工作单位江苏大唐国际吕四港发电有限责任办公电讯地址江苏省启东市吕四港镇秦潭村邮政编码226246电子邮箱移动电业学校东北电力大学文化程度本科最高学位专科技术职称工程师专业专长锅炉技术监督毕业时间1993.7参加论文的起止时间起始时间2012.1完成时间2013.02曾获得奖励及荣誉称号情况大唐国际2011、2012年安全生产先进工作者主要研究领域超（超）临界机组高温受热面氧化皮综合治理及管道焊口返修处理三、论文正文：1.前言某电厂#1、#2机组四大管道等焊缝进行金属监督检测过程中，发现四大管道焊缝存在多处超标缺陷。从检验报告分析，有单个、分散的缺陷，不是连续的面积型缺陷。车削后发现是焊道间和焊道边缘的夹渣缺陷，这些超标缺陷存在也影响机组安全，但对于在役机组，根据缺陷性质这种不是连续的面积型缺陷，是否可部分缺陷监督运行?目前超标缺陷焊口进行了部分修复处理。返修采用车削挖去大部分焊缝金属，在原坡口内重新堆焊。由于担心管道断开后管道磁化严重，退磁困难而无法焊接，且因检修时间紧氩弧打底无法进行，焊缝金属根部保留20-30mm不等。 但返修后，焊接接头的机械性能和寿命却受到了很大损害。使得焊缝金属机械性能的降低，热影响区的扩大并进一步降低机械性能， 残余应力的增加和管道长度的减少而改变管系的补偿值等。 2.讨论2.1 返修的探讨对于大口径厚壁管道，这种单个、分散的缺欠或缺陷对焊接接头的连续性虽有影响，但由于其截面总和与焊缝截面之比微乎其微，对焊缝的承载力影响极小。未发现有早期失效的报道。历史上发生过的管道焊口失效多为热影响区母材或焊缝金属蜕化所致。【1】未发生材质蜕化的焊口缺陷，甚至不允许缺陷，尺寸超标很多倍，有的缺陷截面总和与焊缝截面之比将近一半运行十几万小时也大部分只发生缺陷发展，极少发生泄漏的部位也是运行条件很差。【2】P91/P92马氏体耐热钢管道发生过的事故一般都是原材料缺陷所致。也就是说，只要材料的断裂韧性不发生大幅度降低，一般是不会发生早期失效，尤其是脆性断裂的。【3】对于在役机组管道焊缝抽查，火力发电厂金属技术监督规程DL/T 438-2009（第7.2.3.3 b)规定：焊缝的无损探伤抽查依据安装焊缝的检验记录选取，对于缺陷较严重的焊缝，每次A级检修或B级检修应进行无损探伤复查。火力发电厂焊接技术规程DLT869-2012第8.1.4 规定：对于比较重大的事故和缺陷的修复，应该进行技术和经济的可行性分析。并未要求“不合格”即返修。之所以如此，是因为在役机组与安装阶段有很大的不同。例如管道，安装时焊接完成最后一道“冷紧口”（冷紧值是设计院根据设计规程计算得出的）之后，各种型号的支吊架就把管系各个位置的坐标固定了。重新焊接也可能改变了坐标。 2.2 返修后焊接接头的机械性能和寿命受到损害。P91/P92同属马氏体耐热钢，其标准号为ASME SA335 P91、P92 ，目前在我国应用在300-1000MW亚临界、超临界、超超临界机组的主蒸汽、再热蒸汽热段管道、过热器及再热器联箱。是常温机械性能和热强性、热稳定性兼具的优良耐热钢。化学成分及常温机械性能见表2、表3。表2 P91、P92钢的化学成分%钢号CMnPSSiCrMoWVNNiNbAlBP910.080.120.300.600.020.010.200.508.009.500.851.050.180.250.030.070.040.04P920.07 0.130.30.600.020.010.50 8.509.50 0.300.601.52.00.150.250.030.070.040.040.090.040.0010.006表3 P91、P92钢的常温机械性能钢号屈服极限 0.2(MPa)抗拉强度b(MPa)延伸率 5(%)硬度 （HB）P9141558520250P9244062020250之所以性能优良，是通过正火可得到马氏体组织，正火态板条马氏体经高温回火后，回复为破碎的、晶粒细小的回火马氏体。既具有马氏体的强化效果,又因马氏体高温回复形成的亚稳态多边形结构可抵抗Ac1相变点以下高温的长时间作用。在同一位置反复3次进行焊接和焊后热处理使焊缝金属和母材热影响区常温机械性能和热强性都受到损害，不再具有优良的性能。2.2.1 保留焊缝金属的组织与性能下降采用手工电弧焊焊接P91、P92钢，焊缝是温度极高的熔融状态冷却下来的铸造组织，不可能获得极细颗粒弥散析出的Nb、V碳氮化合物和高度细化的晶粒，即不具备细晶强韧化的条件。相反，由于熔池金属的高温停留以及快速的凝固冷却，熔敷金属中的Nb、V等微合金化元素可能仍大部分固溶在金属中，不仅难以细化晶粒、韧化焊缝，反而通过固溶强化而降低焊缝韧性。t85对焊缝韧性有显著影响。研究表明所有热循环条件下，试样的韧性都随着t 85的增加而降低，经过二次热循环后，韧性值还要降低，且随二次热循环峰值温度的减小，韧性降低幅度增大。因此P91钢中间层焊缝，由于受多层热循环作用，韧性值低于表面焊缝，这对P91钢多层焊，极为重要。【4】在多层多道焊缝中，后续焊道的焊接热循环对前一层焊道起再热作用，在焊缝中形成了焊层（道）之间的焊接热影响区，该区的组织形态发生了明显变化。在某一热循环温度的作用下，柱状晶组织可能被碎化或消失，马氏体板条位向特征变得不明显；在另一热循环温度的作用下，等轴晶晶粒出现细化倾向。基于焊道间热影响区的存在，以及其组织形态发生变化，可以认为，利用多层、多道焊接热循环的作用，可用以细化部分晶粒，改善焊缝组织形态，这不失为一种提高焊缝韧性的有利工艺措施。然而，实测结果表明，采用多层多道焊接的焊缝金属，在焊后状态下的冲击功低得很，其数值均在10J 以下。这表明，多层、多道焊的焊接热循环作用对焊缝组织的改善还不可能达到预期效果，原因可能是焊缝焊后形成马氏体，而且由于不同温度区域的焊接热循环的温度不同，相变产生的组织各异，一部分区域的粗大柱状晶未能彻底消失，晶粒的细化很不均匀，等等。【5】焊缝金属的组织与性能本来就不好，再在它上面再次继续进行焊接-焊后热处理，使得粗大柱状晶继续长大，焊缝韧性的降低是不言而喻的。2.2.2 热影响区的软化马氏体耐热钢的供货状态为正火回火，即调质处理。焊接时，在细晶热影响区和临界热影响区将会产生软化现象。造成这一现象的主要原因是焊接时，细晶热影响区的所经受的温度稍高于Ac3，临界热影响区所经受的温度在Ac1-Ac3 之间，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相在这一过程中不能够完全溶解在奥氏体中，在随后的热过程中未溶解的沉淀相发生粗化，造成这一区域的强度降低。软化对短时高温拉伸强度影响不大，但降低持久强度，长期高温运行后，在软化区常常会产生型裂纹。【6】在横向焊接接头蠕变试验中，焊接热影响区是接头性能最弱的区域。P92 接头的蠕变断裂几乎都是发生在母材一侧的熔合线，特别是焊接热影响区的再热细晶软化区，即由焊接热循环造成的部分奥氏体化区(临界温度区，或称第IV区)。在试验参数较高的情况下，接头第IV 区的弱化趋势更为明显，与母材相比，其蠕变强度降低率逐渐超过20%，即超出了母材平均强度20%范围的下限。由此可见，在焊缝金属合金成份经合理优化，其蠕变性能与母材性能充分匹配的条件下，P92 钢焊接接头热影响区第IV 区的性能决定了整个接头的高温蠕变断裂行为。【7】 同一坡口内的第2次、第3次焊接不可能准确无误的在同一位置，这就使得热影响区第IV 区的宽度增加，甚至增加2-3倍。这可能是反复挖补的最严重后果。2.2.3 高温回火过回火引起强度较低、韧性下降、寿命减少、新的内应力产生焊后热处理的高温回火可以改善组织、去氢、降低硬度、降低焊接残余应力。但是，当回火温度过高或回火时间过长时，马氏体板条基体完成了高温回复过程，马氏体板条粗化，板条内出现多边化亚晶的明显长大，位错网络更为典型但数量减少，M23C6 碳化物出现熟化，尺寸粗化，形状卵球化，分布向板条界和原奥氏体晶界聚集。【8】回火加热时间90min 太短，正火马氏体的形变储存能没有完全释放，表现在强塑性、冲击韧性较差，板条马氏体不均匀。180min 回火较为充分，则有较好的短时性能。回火时间360min 则太长，基体中的碳化物主要是（Fe,Cr）23C6 弥散强化较充分，但部分碳化物在晶界上聚集，碳化物颗粒有一定程度的长大，表现在强度较低，冲击总功下降了41J。【9】返修的焊口焊后热处理恒温时间为5-10h不等，2-3次的恒温时间总和更是10（15）-15（30）h，不利影响是显而易见的。高温回火过程实质上是连续的超温运行过程，这个过程将消耗钢管的使用寿命。寿命损失可用larson-miller参数估算。【10】 P =T(C +lgt) 公式（2-1）式中：P-常数，又叫回火参数T-以绝对温度计算的金属温度，Kt-时间,小时C-马氏体耐热钢取38【11】再者，热处理过程中，无论采取何种方式加热，都不可避免的存在内外壁温度差。有温度差就有热应力，低的部位为拉应力，反之则为压应力。应力值的大小可以用下式计算：=TE 公式（2-2）式中：-热应力MPa-线膨胀系数mm/mm T-温度差E-弹性模量MPa。2.2.4 管系补偿值的改变由于焊接过程中对焊件进行了局部的、不均匀的加热, 以及随后的不均匀冷却作用, 结构本身或外加的刚性拘束作用, 通过焊缝的收缩力、温度和组织等因素的变化, 而在焊接接头区产生了不均匀的塑性变形。焊缝的纵向和横向收缩是引起各种复杂变形的根本原因。对于管道，焊缝的纵向收缩所引起的管径减小并不引人关注，而焊缝的横向收缩所引起的管道长度缩短就影响显著了。焊缝的横向收缩量约为熔敷金属厚度的10%。即一道主蒸汽管道或过热器联箱焊缝的收缩量最大可达10多mm。在同一管系中数道焊缝的收缩量最大可达数十mm，这就大大改变了管系的原设计补偿值，改变了对汽轮机和锅炉出口联箱的推力。联箱长度的缩短给受热面管排增加了径向力矩，有可能造成有再热裂纹倾向受热面钢管安装焊口的再热裂纹。焊接缺陷较多的联箱接管座角焊缝也有开裂的可能。受到相连结构和管道自身刚度的拘束而产生不了塑性变形（缩小），焊缝的收缩力就成为了内应力。焊缝的收缩力为：F=147E 公式（2-3）式中：F-焊缝收缩力NE-焊接线能量J/mm【12】这些内应力在焊后热处理中可以消除一部分，剩余的就待以后的运行中在介质温度和压力作用下慢慢通过蠕变消除。3.结论3.1 对于运行机组焊缝火力发电厂金属技术监督规程DL/T 438-2009要求抽查，对于缺陷较严重的焊缝，每次A级检修或B级检修应进行无损探伤复查，并未要求“不合格”即返修。火力发电厂焊接技术规程DLT869-2012要求，对于“比较重大的事故和缺陷”的修复，应该进行技术和经济的可行性分析。 3.2 返修造成保留焊缝金属的组织与性能下降；热影响区第IV 区的宽度增加；重复回火引起强度较低、韧性下降、寿命减少、新的内应力产生；焊缝的收缩量大大改变了管系的原设计补偿值，改变了对汽轮机和锅炉出口联箱的推力。联箱长度的缩短给受热面管排增加了径向力矩，有可能造成有再热裂纹倾向受热面钢管安装焊口的再热裂纹。联箱接管座角焊缝也有开裂的可能。3.3 可行的做法可以采取监督运行，在每次A或B级检修时进行复查，发现缺陷发展再做处理。对于缺陷特别严重的（