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600℃等级火电机组金属部件应用现状及近几年事故典型案例分析华北电科院蔡文河第一部分600℃等级火电机组金属部件应用现状1概况2锅炉存在的主要问题3汽轮机存在的主要问题4承压管道存在的主要问题5超超临界厚壁件脆性开裂问题6超超临界机组的监督和管理7结束语1概况1.1新材料的应用铁素体耐热钢：T23、T24、T/P91、T/P92、P122奥氏体耐热钢：TP347H/HFG、TP304H、Super304H、HR3C汽缸/壳体：12CrW（Co）和CrMoWVNbN高温螺栓：C422(20Cr12NiMoWV)、GH4145（Ni基合金）、R26（Ni-Cr-Co基合金）转子：12CrMoWVNbN等叶片：9-12%CrWCo等1.2超超临界机组特点及其带来的新变化1.2.1结构方面•（1）锅炉受热面管径急剧变小，使得异物很容易在内径较小的区域堵塞而造成爆管。•（2）联箱或管子中有节流孔圈使得通径更小、运行温度偏高等，使得它比亚临界及以下参数的锅炉对异物堵塞更为敏感。1概况1概况•（3）高温承压部件的壁厚明显增加，使得部件更易于发生脆性断裂。•（4）异种钢焊接量增多，不同规格的异种钢焊接增多，使焊接工艺以及施工操作等方面都存在一定的难度，也更易发生异种钢焊接接头的早期失效问题。•（5）模块一体化设计，导致维修难度的提高。•（6）装配工艺的优化导致部件之间关联性增加，如自带冠整圈自锁型叶片的应用。1概况•（7）参数的提高导致大型铸锻件的重量和尺寸增加，使结构趋于复杂化1概况•（8）EH油管固定支架相连接的管系振动异常，导致管路根部开裂1概况1.2.2设计上的变化A335P91的许用应力值（ASMEB31.1-2007）序号温度℃壁厚小于76mm的许用应力MPa壁厚大于76mm的许用应力MPa1056696.588.91159371.066.21概况1.2.3工艺方面变化（1）受热面夹屏管下弯管弯曲半径的偏小，加工、制造工艺等控制不当，引起弯管弯弧处在冷弯后形成开裂；1概况（2）减温器的实际结构与设计不符，缺少对喷水管有限位作用的限位圈或者限位装置不能起到有效作用，导致喷水管反复震荡而发生断裂。此外，减温器的筒体没有检查孔，出现问题难于发现；（3）高温承压部件的壁厚增加，如果材料表面存在开口型缺陷，会在开口末端形成三向拉应力状态，使得部件脆性断裂倾向增大；（4）新型材料热处理制度控制精度要求更加严格，如P91钢的热处理时的回火温度区间一定要严格控制，一旦出现偏差，就会导致P91硬度和金相组织的不合格；1概况（5）奥氏体钢冷弯后会出现形变诱发马氏体相变，导致性能下降，最直接的检查方法是变形的管子出现一定磁性；（6）叶片表面喷丸处理增加疲劳性能，但喷丸效果不好，叶片没有形成压应力，会导致叶片断裂；1概况1.2.4运行方式的问题：调峰、低负荷、启停速率、给水加氧1.2.5制造环节的影响（1）管子的直道超标，在直道根部出现微裂纹的缺陷1概况（2）异种钢对口出现的加工问题1概况（3）厚壁钢板在卷制过程中出现断裂（4）高温管道的内外表面的加工直接影响管道的质量1概况•2.1受热面爆管（1）堵塞爆管2锅炉部件及材料存在的主要问题2锅炉部件及材料存在的主要问题2锅炉部件及材料存在的主要问题•（2）冷弯不当导致管子泄露（3）管子应力腐蚀开裂2锅炉部件及材料存在的主要问题（4）异种钢焊接爆管总结起来，主要有以下几种：①由于奥氏体钢有较高的热裂纹敏感倾向，在焊缝及热影响区易产生热裂纹。②不同规格的异种钢焊接时，变截面处的加工不当也会引发开裂，同时在不同规格异种钢对口时，尤其在现场经常存在强行对口的现象，造成较大应力集中，引起开裂。③异种钢焊接时，焊接线能量或者焊接热处理工艺选择操作不当时，会在马氏体钢一侧热影响区产生淬硬组织，韧性降低，造成焊接接头开裂。2锅炉部件及材料存在的主要问题④异种钢接头高温时效后会发生脆化问题，有研究表明T92/HR3C的接头在650℃1000多小时时效后，冲击功由125J/cm2降至31J/cm2。⑤T92的异种钢接头在T92侧熔合线的HAZ区域会形成δ铁素体，有研究表明在运行后δ铁素体会发生合并长大现象，这种现象会对接头的冲击功和高温蠕变性能产生不利的影响，影响深度还有待进一步研究。2锅炉部件及材料存在的主要问题2.2材料的常见问题（1）T23问题最高壁温、再热裂纹、焊接等2锅炉部件及材料存在的主要问题（2）材料的检验问题T/P91、T/P92钢管原始回火马氏体组织细小，晶界和晶粒沉淀相尺寸很小，一般小于1μm，光学显微镜下不易观察到沉淀相的变化。（3）奥氏体钢抗蒸汽氧化性能达不到设计要求（4）钢管国产化组织不均匀问题2锅炉部件及材料存在的主要问题2.3减温器失效问题某电厂1000MW机组超超临界锅炉2锅炉部件及材料存在的主要问题3.1叶片断裂某厂CLNZK660-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、直接空冷凝汽式汽轮机，运行约2000小时后，其低压转子次末级叶片发生断裂。3汽轮机存在的主要问题3汽轮机存在的主要问题3汽轮机存在的主要问题裂纹3汽轮机存在的主要问题3汽轮机存在的主要问题3.2高温螺栓应用情况3汽轮机存在的主要问题3.3阀杆应用情况3汽轮机存在的主要问题（1）P91管道（硬度小于180HB、金相组织不合格。）问题：检验问题、硬度转换、二次热加工4承压管道存在的问题4承压管道存在的问题4承压管道存在的问题（2）P92管道P92管道在运行后检修中发现，运行8000-15000小时后焊缝出现了开裂现象，这些管道在基建安装的无损检查中都是没有超标缺陷的，运行后相继出现了裂纹。其开裂机理和P92是否对裂纹开展的敏感性问题还有待进一步研究。4承压管道存在的问题4承压管道存在的问题（3）阀门常见问题材质为F91、F92的阀门焊接质量进行检验4承压管道存在的问题5超超临界厚壁件脆性开裂问题5超超临界厚壁件脆性开裂问题从以上3起断裂事故中可知，所断部件均为厚壁，断口表面平直，扩展人字纹清晰，最后断裂撕裂面积极小，断裂方式均为瞬时失稳扩展的脆性断裂。就3个部件的脆性断裂形式而言，均发生在材料表面缺陷处，尽管3个缺陷的形式不一，但都是发生在厚壁部件上，它们对微裂纹的敏感性都很大。5超超临界厚壁件脆性开裂问题6超超临界机组的监督和管理•运行经验缺乏目前对这些新型材料运行经验较少，难以掌握其长期运行后的性能变化。•制造分包给质量控制带来的影响在建超超临界机组较多，制造厂扩散制造部件很广泛，质量难于保证。•检验不到位由于检验量增加，检验不到位等因素的影响，金属设备失效事故增多，且新生事故也是以往少见的。•技术跟进缓慢7结束语1、性能设计、制造、加工、安装、配合、公差2、管理管理机制、管理平台，实施的偏离控制3、研究基于失效模式4、缺陷管理对缺陷的认识5、评估对于问题部件的监督第二部分近几年事故典型案例分析1-某电厂凝汽器不锈钢管泄露失效凝汽器为304不锈钢管，规格Φ25×0.7mm1-某电厂凝汽器不锈钢管泄露失效水质超标2-某厂6#机组中调门螺栓断裂2-某厂6#机组中调门螺栓断裂IN783合金元素Cr%Co%Ni%Fe%Nb%Al%Ti%实测值13.0236.927.428.43.595.240.36实测值22.8836.626.529.23.505.350.35IN7832.5～3.524～4526～3024～272.5～3.54.8～6.20～3.42-某厂6#机组中调门螺栓断裂2-某厂6#机组中调门螺栓断裂断裂螺栓布氏硬度在350～360HBW187.5/2.5之间新螺栓硬度为335HBW187.5/2.5，性能指标Rp0.2（MPa）Rm（Mpa）A（%）Z（%）AK(J)断裂螺栓1935128020.546.025、26、27断裂螺栓2975133021.043.021、23、25新螺栓794121020.537.015、16、162-某厂6#机组中调门螺栓断裂2-某厂6#机组中调门螺栓断裂2-某厂6#机组中调门螺栓断裂3、P91母材及焊缝硬度超标关注点：母材/焊缝硬度特征；检验问题；硬度转换；二次热加工；安全性评定100110120130140150160170180190102030405060708090100图2主蒸汽管道硬度沿厚度方向分布深度mm硬度HBABCDEF4-某厂高压主汽门螺栓断裂螺栓设计材料为20Cr1Mo1VTiB，规格为M72mm×410mm微裂纹4-某厂高压主汽门螺栓断裂4-某厂高压主汽门螺栓断裂样品编号冲击功AKU2（J）JS-2013-10-1-210JS-2013-10-1-39JS-2013-10-1-411平均值10DL/T439-2006技术要求AK≥395、某厂#5炉省煤器泄漏失效#5炉省煤器泄漏点位置管壁上存在原始孔洞，由于未知原因，通过FeAl合金对孔洞进行修补，修补工艺较差，且焊缝组织异常，其组织性能与母材存在较大差异，熔合线部位结合力不强，在省煤器温度及应力作用下，焊缝材料脱落从而导致省煤器泄露。6、某厂送酸管泄漏7、小管弯管内弧裂纹8、后屏再热器卡屏管泄漏9、省煤器管爆裂10、现场保管不善11、安装问题鳍片裂纹鳍片末端未形成圆弧过渡，易产生应力集中，并可能导致鳍片开裂水冷壁有磨损凹坑、电焊擦伤弧坑吊板未受力顶棚管鳍片与穿墙管相碰水冷壁管被氧割割伤12.T91材质屏式再热器焊缝短期运行开裂宏观形貌：开裂处位于焊缝上侧的热影响区微观形貌特征：（1）开裂处位于焊缝的热影响区。（2）焊缝、焊缝上下侧热影响区、焊缝上下侧母材组织均为（回火）马氏体。（3）力学性能满足要求。（4）裂纹沿晶，脆断特征。部位外壁壁厚中部内壁紧挨断口处热影响区420、421、419420、415、420401、410另一侧热影响区裂纹附近415、414、418、413、411、407、416焊缝373、383、389焊缝上部母材（开裂侧）208、210焊缝上部母材195、196DL/T438-2009规定T91管硬度值范围180～250HB，T91管焊缝硬度值范围180～270HB，参考GB5310-2008及GB/T1172-1999标准，T91管维氏硬度范围187～265HV，T91管焊缝硬度范围187～274HV断口金相试样维氏硬度结果（HV）结论-焊接或热处理规范不当。措施-对发现缺陷的该排屏式再热器共计44只焊缝，全部切除并换管。设备参数-锅炉为东方锅炉厂制造；-容量为330MW；-规格为φ76×6mm；-运行：停机检修前，设备巡检及运行记录显示屏式再热器并无任何泄漏迹象，但在冷态水压试验时却出现焊缝多处开裂现象。13.山东某1000MW等级机组异种钢接头焊缝（TP347HFG+T91）T91侧的热影响区开裂宏观形貌宏观形貌微观形貌14.某电厂2号炉水压试验发现Ⅱ级减温器热电偶泄漏原因分析-该热电偶套管为旧式非加强型结构，过渡段与内部导线套管整体车削成不同直径圆柱形结构，连接部位无圆滑过渡，存在退刀槽结构应力。-安装时若引线套管三角锥面未能紧紧顶住导汽管安装孔的阶梯孔壁，且使3个棱锥中的1个棱锥正面迎汽流方向，则长期运行后，热电偶套管极易受汽流冲击而产生振荡，从而在应力集中部位（根部退刀槽）产生疲劳断裂现象。防范措施-热电偶套管换型：采用加强型新保护套管，内部导线套管采用加厚圆锥形提高了结构强度，且根部连接部位进行了圆滑过渡；-提高安装工艺：确保三角棱锥完全卡牢支撑于安装孔的阶梯孔壁；-155、某厂1号炉水冷壁开裂发现1号炉水冷壁右侧墙前数第75根管向火面在距中间集箱引出弯管下部约1m处管子母材发生横向裂纹泄漏是水冷壁管局部超温以及炉墙刚性不足导致的弯曲疲劳共同作用的结果其次由于75号管横向裂纹恰好在两侧管子的引入引出管弯头位置，该处管子直管数量减半，当管子温度不均匀等原因导致炉墙发生波浪或弯曲变形时，该处管子抵抗炉墙弯曲变形能力将减弱，即该处管子承受的弯曲应力较大。随着机组启停及工况变化，水冷壁管承受弯曲变形，尤其向火侧管子表面拉压应力变化最大