1000MW超超临界塔式锅炉典型问题及解决方案综述

摘  要：文章对由上海锅炉厂设计、制造的1000MW超超临界塔式锅炉在投入运行中出现的典型问题进行了分析并且制订解决方案，为今后同类型机组的设计、制造、安装、检修、监督提供借鉴，提高1000MW超超临界塔式锅炉安全可靠性。

关键词：超超临界塔式锅炉;再热裂纹;异种钢接头

中图分类号：TM621.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）32-0120-02

Abstract： In this paper， the typical problems in the operation of 1000MW ultra-supercritical tower boiler designed and manufactured by Shanghai Boiler Plant are analyzed and the solutions are worked out. The purpose of this paper is to provide a reference for the design， manufacture， installation， maintenance and supervision of the same type of units in the future， so as to improve the safety and reliability of 1000MW ultra-supercritical tower boiler.

Keywords： ultra supercritical tower boiler; reheat crack; dissimilar steel joint

前言

自国内首台1000MW超超临界机组投产运行以来，目前我国已有多台超超临界1000MW机组投入运行。国内目前投产的超超临界机组选用的是日本三菱、日本日立、ALSTOM技术。较成熟的300MW、600MWΠ型锅炉而言，1000MW超超临界塔式锅炉在国内投产使用的时间比较短，在锅炉的设计、制造、安装、运行、检修方面等特性尚未完全掌握，在上述各个环节中先后出现了焊口开裂、受热面爆管严重影响了机组安全稳定运行。

1 T23钢水冷壁焊接接头频繁发生裂纹泄漏

1.1 原因分析

在国内大量兴建且已投产的1000 MW机组塔式锅炉中，部分塔式锅炉水冷壁使用了T23管材，从使用效果来看，不少锅炉多次发生了T23钢水冷壁管焊接接头泄漏事故，究其原因，与T23管材研发制造厂家最初研发理念有较大的差别，T23钢是由于该钢种产生再热裂纹与焊接后晶界存在大量微裂纹而引发泄漏，泄漏的主要原因是由于T23钢可焊接性能差，焊接接头容易产生裂纹。

1.2 对策与建议

（1）采用小线能量焊接（小于25KJ/cm）以避免粗晶区晶粒的明显粗化。某电厂6、7号锅炉与T23钢水冷壁的一切焊缝全部采用小线能量的手工氩弧焊接。某电厂6号锅炉于2010年2月9号开始进行水压试验，试验中T23钢水冷壁共检查出4处泄漏点，1处厂家电弧焊接，其它3处使用电弧焊接的临时吊耳与T23管子焊接的角焊缝，使用氩弧焊接的焊缝未发生泄漏。从某电厂水压试验检查结果来看，T23钢水冷壁使用小线能量的氩弧焊接方式是防止T23钢产生再热裂纹一个非常有效的手段。（2）采取焊前预热、焊后缓冷等方法（减少冷裂纹倾向）、多道焊、增加回火焊道。（3）对焊接接头进行有效的热处理。

2 过热器、再热器Super304H材质的管道晶界腐蚀

2.1 原因分析

某电厂1000MW超超临界塔式锅炉二级过热器和三级过热器部分受热面管采用Super304H材质，其中Super304H材质，规格分别为Ф48.3×7.5mm，Φ48×6.8mm。二级再热器部分受热面管采用Super304H材质，其中Super304H材质，规格为Ф60.3×3.8mm。

锅炉水压时发现有3根管子发生泄漏，泄漏点位于三过管屏与散管对接焊缝（安装焊口）附近，且均在散管侧（距焊缝约5～8mm）。现场对管子焊缝周围进行着色探伤，发现散管侧焊缝附近沿周向有多处条状裂纹。

一侧着色后出现裂纹的地方，经打磨抛光后，裂纹更加明显，另一侧着色后没有出现明显裂纹的地方，经打磨抛光后也出现大量微裂纹，这些裂纹均沿管子周向分布，扩展方向基本与焊缝相互平行。

该电厂过热器Super304H管为何产生了晶间腐蚀敏感性，其主要原因：管子制造过程中的处理工艺和焊接过程都有可能带来管子在敏感温度的滞留而使碳化物沿晶界析出，造成晶界贫铬，引起晶间腐蚀。但焊接热影响区外的基体中也存在着较严重的晶间腐蚀现象，这就基本排除了焊接热循环引起晶间腐蚀的可能性，因此该管的晶间腐蚀敏感性应该主要是管子制造过程中造成的。所以，此次Super304H不锈钢管的开裂属于晶间腐蚀诱导下的应力腐蚀开裂。

2.2 对策与建议

（1）使用知名厂家信誉度高的Super304H材质、HR3C材质制造商，并且签订合同时要求其抗晶间腐蚀等级，晶粒度等级等。（2）设备安装前对Super304H材质、HR3C材质焊接接头及母材取样进行无损检测、光谱分析、金相分析、能谱分析，检查晶间腐蚀倾向。（3）设备运输、保管中，对Super304H材质、HR3C材质不锈钢管采取严格的保护措施，防止雨水、海水等侵蚀，以及做好防止其它材料与之接触污染不锈钢表面。（4）已投产机组利用停炉机会对其进行探伤，并且定期对其取样分析。

3 再热器HR3C材质与T92材质的异种钢焊接接头早期失效泄漏

3.1 原因分析

某电厂6号机组锅炉二级再热器管在机组168小时试运行期间发生断裂。断裂发生在二级再热器出口集箱与管屏连接管爐左侧第一排底部第一根标高85m处，该处为异种钢接头，上方是规格为Φ60.3×6.5mm的SA213-T92管子，下方是规格为Φ60.3×5.5mm的HR3C管子，在试运行阶段负荷升到500MW时发生断裂。

切开管子后从内壁看，裂纹位于T92管子内壁由于壁厚稍大而进行削薄加工形成的台阶处，裂纹左边靠焊缝侧内壁上的加工条纹是周向的，而裂纹右边靠T92母材侧内壁上的加工条纹是轴向的，主裂纹为一条沿周向扩展的平直的裂纹，其断裂面基本与管子内外壁垂直，两端各出现了一段与主裂纹不相连的裂纹，这两段裂纹均未裂穿到外壁。

通过对其进行金相和光谱分析，得出以下结论：（1）从外壁和内壁看，裂纹走向都很平直，在裂口外表面边沿可见剪切唇，说明裂口是从内壁向外壁扩展的。（2）从金相组织来看，各部位的金相组织均未发现异常，说明本次开裂与金相组织无关。但在靠近焊缝根部的T92侧热影响区发现一条在内表面开口的裂纹，间接证明裂纹是由内壁向外壁扩展的。（3）从开裂时机来看，该管在机组整体启动后负荷升至500MW，所承受载荷远未达到设计值时就已发生断裂，说明断裂部位在机组整体启动前就已经存在裂纹。

综上所述，某电厂6号机组锅炉二级再热器管发生断裂的原因主要是由于T92侧管子焊接前由于内壁壁厚稍大而进行削薄加工形成的台阶处具有应力集中倾向，在焊接、运输和组装过程中，由于外力作用在应力集中处产生原始裂纹。机组整体启动后，管子承受了高温高压，在热应力和内压应力等共同作用下，裂纹迅速扩展，最终导致断裂。

3.2 对策与建议

（1）对类似的管子加工配置时注意车削光滑，过渡圆滑，避免结构应力集中。（2）施工过程中严格按照焊接工艺评定要求焊接，焊后24h超声波根部检测。（3）设备安装前建议对相同位置的异种钢接头割3～5根，留取足够的长度，进行接头处内壁渗透探伤、接头力学性能试验和金相分析试验。如果还发现有类似缺陷，则需对该批管子进行100%无损探伤检查复验。（4）设备安装前，使用检查加工台阶处的加工质量，对无圆滑过渡的管子使用专用工具对其进行重新加工处理，达到要求为止。（5）已投产机组利用停炉机会对其焊接接头进行拍片、超声探伤。

4 再热器、过热器HR3C、Super304H材质与T92材质的异种钢焊接接头裂纹

4.1 原因分析

某电厂在停炉期间对三级过热器HR3C材质与T92材质的异种钢焊接接头进行检查时，在异种钢接头熔合线T92侧前后共发现5处不同程度的裂纹，最深已经达1.9mm，均未贯穿。该处为异种钢接头，上方是规格为Φ48.3×12.5mm的SA213-T92管子，下方是规格为Φ48.3×10.2mm的HR3C管子。

通过对上述存在缺陷的异种接头取样金相分析，裂纹起源于T92-HR3C异种焊缝的T92侧熔合线附近，且沿着熔合线向两侧延伸，其中一个裂纹尖端延伸至T92侧的热影响区，T92侧基体的金相组织为马氏体位相明显的回火索氏体，裂纹附近热影响区的金相组织为马氏体位相不明显的回火索氏体，T92侧熔合线区的金相组织为粗大贝氏体+奥氏体+马氏体。熔合线处组织粗大，且明显减少了弥散碳化物的强化效果，使得这些区域成为整个焊接接头的弱化区域，在外力作用下很容易成为裂纹的起源区。

通过对其进行金相和光谱分析，得出以下结论：（1）T92侧熔合线、热影响区和基体的金相组织分别为粗大贝氏体+奥氏体+马氏体，马氏体位相不明显的回火索氏体和马氏体位相明显的回火索氏体。T92侧熔合线处组织粗大，且明显减少了弥散碳化物的强化效果，使得该区域成为整个焊接接头的薄弱区域，在外力作用下很容易成为裂纹的起源区。（2）在T92侧熔合线附近存在一些组织缺陷，如熔合线附近的富碳层和一些向焊缝中延伸的楔形异常组织。这些富碳层和异常楔形延伸组织会严重降低焊接接头的强度，容易成为裂纹的起源。

造成上述现象的主要原因由于焊接工艺及热处理工艺不良，导致异种钢焊接接头性能差，早期失效。

4.2 对策与建议

（1）优化HR3C、Super304H材质与T92材质的异种钢焊接接头的焊接工艺和热处理工艺。（2）设备安装前对Super304H材质、HR3C材质管道异种钢接头取样进行无损检测、光谱分析、金相分析、能谱分析，检查晶间腐蚀倾向。（3）已投产机组利用停炉机会对其焊接接头进行拍片、超声探伤，并且定期取样进行分析。

5 结束语

归纳、分析、总结1000MW超超临界塔式锅炉投入中发生的典型问题原因、机理，并提出预防措施，不仅对新建1000MW超超临界塔式锅炉设计、制造、安装、试运具有很强的指导性，同时对已投产机组也有借鉴意义。

参考文献：

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[3]肖俊峰，朱寶田.国外超超临界火电机组技术特点的分析[A].超超临界火电机组技术协作网第一届年会论文集[C].2005.