高壓主蒸汽流量計異種鋼焊縫失效分析及處理

吳金勇，張建林，姜志慧

(1.珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519090；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

火電廠高壓主蒸汽流量計小管均存在一道與316L 鋼連接的異種鋼焊縫，在機組負荷變化、頻繁啟停及母管介質擾動下，小管一直處于疲勞應力作用下。異種鋼焊縫屬于應力集中、焊縫組織較差、承受疲勞應力較弱的部位。不少火力發電廠均發生過因流量計小管焊縫失效造成發電機組非計劃停運的事件。

下面對一起高壓主蒸汽流量計異種鋼焊縫失效事件進行分析，并提出處理方案，以便為相關事件的處理提供參考。

1 事件概況及相關調查

1.1 事件概況

某電廠1 號機組為465 MW 燃氣—蒸汽聯合循環“一拖一”單軸布置機組，機組于2020-07-30 投入商業運行，燃機型號為AE94.3A，鍋爐型號為UG-AE94.3A-R，為余熱鍋爐。高壓主蒸汽供熱工況設計壓力為14.18 MPa，設計溫度為566 ℃。主管道材質為SA-335P91，規格為φ323.8×33.32 mm。高壓主蒸汽流量計為長徑噴嘴、徑距取壓結構，材質為SA-335P91，節流件材質為304 鋼?；ㄆ陂g流量計小管焊縫均經過100 %“射線+滲透”驗收合格。2021-09-01，1號機組啟機升負荷階段，發現高壓主蒸汽流量孔板位置外保溫護板溫度為368.2 ℃，可看到高溫蒸汽冒出，初步判斷高壓主蒸汽流量計部位發生泄漏。

2021-09-03，對泄漏部位拆除保溫進行檢查，發現保溫棉被高壓蒸汽吹損出現孔洞，洞的孔徑約180 mm，失效部位為高壓主蒸汽流量計小管的異種鋼焊縫。失效部位靠近T91 管座側焊接熱影響區，上半周(如圖1 所示)開裂約2/3 周。管座與主管道材質均為SA-335P91，管座規格為φ32×11 mm，前端變徑為φ16×3 mm，前端與同規格的316L 小管連接。

圖1 失效焊縫

1.2 現場調查

1.2.1 斷裂部件結構及斷口外觀

高壓主蒸汽流量計處引出6 個管座，冷凝罐距離母管約0.8 m，小管使用管夾固定，支座固定在鍋爐煙氣進口頂部鍋爐外護板上。通過對焊縫斷口進行檢查，得出以下結論。

1) 焊縫外觀飽滿，沿著異種鋼焊縫熔合線開裂，開裂部位靠近T91 材質管座側，其他區域未見明顯表面缺陷。

2) 沿熔合線已開裂2/3 周，張口兩側還未穿透性開裂。

1.2.2 斷裂焊縫光譜檢測

對已開裂的焊縫、不銹鋼管、管座以及其他流量計引出管同樣位置進行光譜檢測。檢測結果均顯示不銹鋼小管材質為316L 鋼，焊縫材質為ERNiCr-3，管座材質為SA-335P91，如表1 所示。

表1 斷裂焊縫光譜檢測成分及相應行業標準

從表1 光譜檢測結果可知，該焊縫使用鎳基焊絲焊接，與基建期間焊接工程一覽表相符合，符合焊接規范要求，不存在誤用焊材的情況。

1.2.3 焊接、無損及人員資質記錄

經查閱基建期焊縫單線圖及無損檢測報告，1號余熱鍋爐高壓主蒸汽流量計管座6 個小管環焊縫均采用100 %的RT 檢測(γ射線檢測)。每個焊縫分三個方向透照，采用雙壁單影成像，檢驗結果及底片均顯示焊縫合格。無損檢測報告與焊接工程記錄相對應，焊材、焊工資質、探傷比例及評定標準均符合標準規范要求。

2 試驗分析

2.1 顯微硬度分析

使用Qness 全自動顯微硬度計對斷口試樣的上下側及中間層不同區域進行硬度檢測，檢測結果如表2 所示。通過試樣顯微硬度分析，發現T91 側熱影響區比較寬，且硬度值均在450 HV 以上；裂紋附近硬度值在460 HV 以上；T91 側熱影響區及焊縫裂紋區域硬度遠高于標準值，T91 管座側母材和316L 小管側母材區域硬度值均在標準范圍內。

2.2 金相分析

在顯微鏡下觀察試樣，如圖2 ～6 所示。T91管座側母材、316L 小管側母材、熔合線、焊縫區域組織形態明顯，未見明顯異常。沿著斷口位置有微裂紋，為撕裂引起，裂紋表面存在一層氧化層，這與此區域失效后并未立即停機，斷口在高溫蒸汽下氧化的情況相符合。

圖2 T91 管座側母材金相

圖3 316L 小管側母材金相

圖4 熔合線金相

圖5 斷口處金相

圖6 焊縫金相

2.3 掃描電鏡分析

在掃描電鏡下觀察試樣，可看到裂紋組織及裂紋附近由于撕裂而形成的微裂紋，如圖7 所示。

圖7 試樣裂紋掃描電鏡

3 原因分析

通過現場勘查斷裂試樣、檢查歷史資料及進行各項試驗分析，得出該異種鋼焊縫失效原因如下。

3.1 直接原因

2) 異種鋼焊縫組織差，焊接殘余應力大，焊接熔合線部位又是整個焊縫力學性能最薄弱的位置，因此開裂部位屬于該流量計小管最薄弱的地方。

3) 因燃機負荷或燃燒工況變化均會造成燃機排氣流量和排氣溫度發生變化，而且燃機排氣在余熱鍋爐入口位置處于排氣圓變方的位置，在高溫高速變化氣流的擾動下，余熱鍋爐入口位置的鍋爐外護板一直處于煙氣擾動、頻繁振動的環境中。高壓主蒸汽流量計小管固定支架底部焊接在鍋爐外護板上，在支架的高頻振動下，高壓主蒸汽流量計小管一直處于振動狀態。在交變應力的長期作用下，異種鋼焊縫開裂失效。

4) 該廠高壓主蒸汽流量計屬于長徑噴嘴、徑距取壓結構的流量計，在余熱鍋爐負荷的變化下，高壓主蒸汽的壓力和流速均會改變，主蒸汽管道介質的擾動也會造成流量計小管的振動。

5) 該流量計小管的固定未考慮主蒸汽管道在機組啟停時的膨脹位移，造成在機組啟停時，流量計小管在主蒸汽管道的位移下往復折彎。而燃氣輪機作為調峰機組，單臺機組年啟停次數達180 次，造成流量計小管頻繁承受折彎作用力。

3.2 根本原因

1) SA-335P91 接管座與316L 小管異種鋼焊接過程中焊接熱輸入較大，層間溫度未嚴格控制，造成接管座側焊接熱影響區很寬，硬度極大，其中熔合線區域硬度高達450 HV，遠高于標準值。硬度極高的區域韌性差，抵抗疲勞能力薄弱，導致熔合線區域在持續交變應力的作用下形成裂紋。

2) 國內火電機組安裝時為確保316L 小管的耐腐蝕要求且因常規現場焊后熱處理包扎難度較大，SA-335P91 接管座與316L 小管異種鋼焊縫均采用鎳基焊絲全氬弧焊焊接，焊接前不預熱，焊接后不進行焊后熱處理。這造成SA-335P91 管座側焊縫組織較差，焊接殘余應力極大，焊縫熔合線區域硬度遠高于標準值，焊縫韌性極差。

3) SA-335P91 屬于馬氏體耐熱鋼，焊接性較差，冷裂紋敏感性強，具有一定的接頭脆化傾向。因此SA-335P91 材質的焊接接頭必須嚴格按照焊接和焊后熱處理工藝進行施工，通過焊前預熱、焊接層間溫度的控制及焊后熱處理才能獲得組織均勻的回火馬氏體組織焊縫。而基建安裝階段未嚴格按照焊接工藝和焊后熱處理工藝進行施工，造成SA-335P91 材質側焊縫組織差、焊接殘余應力大。

4 處理方案

1) 改進流量計小管支架的固定位置，將支架底座由原來固定在鍋爐外護板上改到固定在鍋爐鋼架結構上，避免流量計小管在燃機排氣氣流擾動下高頻振動。

2) 改進流量計小管的固定方向，流量計小管的固定方向不能阻礙流量計小管隨著主蒸汽管道在機組啟停時上下位移，且在流量計小管與支架卡扣之間采用多層不銹鋼薄皮包裹，既可降低小管的振動頻率，又不影響小管的正常位移。

3) 將全部SA-335P91 接管座與316L 小管異種鋼焊縫割除重新焊接。焊接前對SA-335P91 管座側使用還原性火焰預熱到100～150 ℃，焊接過程嚴格控制焊接熱輸入，層間溫度控制在200 ℃以內，不允許出現黑褐色外觀焊縫，焊接結束后對SA-335P91 側焊縫熱影響區進行焊后熱處理。

4) 考慮到SA-335P91 接管座與316L 小管異種鋼焊縫規格小、抗疲勞能力弱、焊縫組織較差、運行工況較惡劣，每年對流量計異種鋼焊縫開展一次射線及滲透檢測，發現超標缺陷及時消除。

5 結束語

該廠自2021 年出現高壓主蒸汽流量計小管異種鋼焊縫失效后，為避免再出現同類型缺陷，采取了一系列的整改措施。首先，對全廠全部異種鋼焊縫，特別是馬氏體耐熱鋼與不銹鋼材質的異種鋼焊縫焊接安裝記錄資料進行排查，對于未嚴格按照焊接和熱處理工藝施工的焊縫全部割除，重新按照標準焊接和熱處理工藝進行焊接和熱處理。其次，全面排查熱控儀表管、取樣管、流量計管、疏水管等全部小規格管道，對支架安裝不合理、小管固定方式阻礙管道膨脹和位移的逐一整改支架和固定方式。最后，加強機組對小規格管道的點巡檢，發現支吊架缺陷和管道振動異常的，及時排查原因并消除缺陷。結合機組檢修機會，定期開展異種鋼焊縫的金屬監督檢驗工作，及時發現隱患，及時處理。通過以上一系列的整改措施，該廠自2021 年出現高壓主蒸汽流量計小管異種鋼焊縫失效后，至今未再出現同類型缺陷。