高压主蒸汽流量计异种钢焊缝失效分析及处理

吴金勇，张建林，姜志慧

(1.珠海市钰海电力有限公司，广东 珠海 519090；2.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

火电厂高压主蒸汽流量计小管均存在一道与316L 钢连接的异种钢焊缝，在机组负荷变化、频繁启停及母管介质扰动下，小管一直处于疲劳应力作用下。异种钢焊缝属于应力集中、焊缝组织较差、承受疲劳应力较弱的部位。不少火力发电厂均发生过因流量计小管焊缝失效造成发电机组非计划停运的事件。

下面对一起高压主蒸汽流量计异种钢焊缝失效事件进行分析，并提出处理方案，以便为相关事件的处理提供参考。

1 事件概况及相关调查

1.1 事件概况

某电厂1 号机组为465 MW 燃气—蒸汽联合循环“一拖一”单轴布置机组，机组于2020-07-30 投入商业运行，燃机型号为AE94.3A，锅炉型号为UG-AE94.3A-R，为余热锅炉。高压主蒸汽供热工况设计压力为14.18 MPa，设计温度为566 ℃。主管道材质为SA-335P91，规格为φ323.8×33.32 mm。高压主蒸汽流量计为长径喷嘴、径距取压结构，材质为SA-335P91，节流件材质为304 钢。基建期间流量计小管焊缝均经过100 %“射线+渗透”验收合格。2021-09-01，1号机组启机升负荷阶段，发现高压主蒸汽流量孔板位置外保温护板温度为368.2 ℃，可看到高温蒸汽冒出，初步判断高压主蒸汽流量计部位发生泄漏。

2021-09-03，对泄漏部位拆除保温进行检查，发现保温棉被高压蒸汽吹损出现孔洞，洞的孔径约180 mm，失效部位为高压主蒸汽流量计小管的异种钢焊缝。失效部位靠近T91 管座侧焊接热影响区，上半周(如图1 所示)开裂约2/3 周。管座与主管道材质均为SA-335P91，管座规格为φ32×11 mm，前端变径为φ16×3 mm，前端与同规格的316L 小管连接。

图1 失效焊缝

1.2 现场调查

1.2.1 断裂部件结构及断口外观

高压主蒸汽流量计处引出6 个管座，冷凝罐距离母管约0.8 m，小管使用管夹固定，支座固定在锅炉烟气进口顶部锅炉外护板上。通过对焊缝断口进行检查，得出以下结论。

1) 焊缝外观饱满，沿着异种钢焊缝熔合线开裂，开裂部位靠近T91 材质管座侧，其他区域未见明显表面缺陷。

2) 沿熔合线已开裂2/3 周，张口两侧还未穿透性开裂。

1.2.2 断裂焊缝光谱检测

对已开裂的焊缝、不锈钢管、管座以及其他流量计引出管同样位置进行光谱检测。检测结果均显示不锈钢小管材质为316L 钢，焊缝材质为ERNiCr-3，管座材质为SA-335P91，如表1 所示。

表1 断裂焊缝光谱检测成分及相应行业标准

从表1 光谱检测结果可知，该焊缝使用镍基焊丝焊接，与基建期间焊接工程一览表相符合，符合焊接规范要求，不存在误用焊材的情况。

1.2.3 焊接、无损及人员资质记录

经查阅基建期焊缝单线图及无损检测报告，1号余热锅炉高压主蒸汽流量计管座6 个小管环焊缝均采用100 %的RT 检测(γ射线检测)。每个焊缝分三个方向透照，采用双壁单影成像，检验结果及底片均显示焊缝合格。无损检测报告与焊接工程记录相对应，焊材、焊工资质、探伤比例及评定标准均符合标准规范要求。

2 试验分析

2.1 显微硬度分析

使用Qness 全自动显微硬度计对断口试样的上下侧及中间层不同区域进行硬度检测，检测结果如表2 所示。通过试样显微硬度分析，发现T91 侧热影响区比较宽，且硬度值均在450 HV 以上；裂纹附近硬度值在460 HV 以上；T91 侧热影响区及焊缝裂纹区域硬度远高于标准值，T91 管座侧母材和316L 小管侧母材区域硬度值均在标准范围内。

2.2 金相分析

在显微镜下观察试样，如图2 ～6 所示。T91管座侧母材、316L 小管侧母材、熔合线、焊缝区域组织形态明显，未见明显异常。沿着断口位置有微裂纹，为撕裂引起，裂纹表面存在一层氧化层，这与此区域失效后并未立即停机，断口在高温蒸汽下氧化的情况相符合。

图2 T91 管座侧母材金相

图3 316L 小管侧母材金相

图4 熔合线金相

图5 断口处金相

图6 焊缝金相

2.3 扫描电镜分析

在扫描电镜下观察试样，可看到裂纹组织及裂纹附近由于撕裂而形成的微裂纹，如图7 所示。

图7 试样裂纹扫描电镜

3 原因分析

通过现场勘查断裂试样、检查历史资料及进行各项试验分析，得出该异种钢焊缝失效原因如下。

3.1 直接原因

2) 异种钢焊缝组织差，焊接残余应力大，焊接熔合线部位又是整个焊缝力学性能最薄弱的位置，因此开裂部位属于该流量计小管最薄弱的地方。

3) 因燃机负荷或燃烧工况变化均会造成燃机排气流量和排气温度发生变化，而且燃机排气在余热锅炉入口位置处于排气圆变方的位置，在高温高速变化气流的扰动下，余热锅炉入口位置的锅炉外护板一直处于烟气扰动、频繁振动的环境中。高压主蒸汽流量计小管固定支架底部焊接在锅炉外护板上，在支架的高频振动下，高压主蒸汽流量计小管一直处于振动状态。在交变应力的长期作用下，异种钢焊缝开裂失效。

4) 该厂高压主蒸汽流量计属于长径喷嘴、径距取压结构的流量计，在余热锅炉负荷的变化下，高压主蒸汽的压力和流速均会改变，主蒸汽管道介质的扰动也会造成流量计小管的振动。

5) 该流量计小管的固定未考虑主蒸汽管道在机组启停时的膨胀位移，造成在机组启停时，流量计小管在主蒸汽管道的位移下往复折弯。而燃气轮机作为调峰机组，单台机组年启停次数达180 次，造成流量计小管频繁承受折弯作用力。

3.2 根本原因

1) SA-335P91 接管座与316L 小管异种钢焊接过程中焊接热输入较大，层间温度未严格控制，造成接管座侧焊接热影响区很宽，硬度极大，其中熔合线区域硬度高达450 HV，远高于标准值。硬度极高的区域韧性差，抵抗疲劳能力薄弱，导致熔合线区域在持续交变应力的作用下形成裂纹。

2) 国内火电机组安装时为确保316L 小管的耐腐蚀要求且因常规现场焊后热处理包扎难度较大，SA-335P91 接管座与316L 小管异种钢焊缝均采用镍基焊丝全氩弧焊焊接，焊接前不预热，焊接后不进行焊后热处理。这造成SA-335P91 管座侧焊缝组织较差，焊接残余应力极大，焊缝熔合线区域硬度远高于标准值，焊缝韧性极差。

3) SA-335P91 属于马氏体耐热钢，焊接性较差，冷裂纹敏感性强，具有一定的接头脆化倾向。因此SA-335P91 材质的焊接接头必须严格按照焊接和焊后热处理工艺进行施工，通过焊前预热、焊接层间温度的控制及焊后热处理才能获得组织均匀的回火马氏体组织焊缝。而基建安装阶段未严格按照焊接工艺和焊后热处理工艺进行施工，造成SA-335P91 材质侧焊缝组织差、焊接残余应力大。

4 处理方案

1) 改进流量计小管支架的固定位置，将支架底座由原来固定在锅炉外护板上改到固定在锅炉钢架结构上，避免流量计小管在燃机排气气流扰动下高频振动。

2) 改进流量计小管的固定方向，流量计小管的固定方向不能阻碍流量计小管随着主蒸汽管道在机组启停时上下位移，且在流量计小管与支架卡扣之间采用多层不锈钢薄皮包裹，既可降低小管的振动频率，又不影响小管的正常位移。

3) 将全部SA-335P91 接管座与316L 小管异种钢焊缝割除重新焊接。焊接前对SA-335P91 管座侧使用还原性火焰预热到100～150 ℃，焊接过程严格控制焊接热输入，层间温度控制在200 ℃以内，不允许出现黑褐色外观焊缝，焊接结束后对SA-335P91 侧焊缝热影响区进行焊后热处理。

4) 考虑到SA-335P91 接管座与316L 小管异种钢焊缝规格小、抗疲劳能力弱、焊缝组织较差、运行工况较恶劣，每年对流量计异种钢焊缝开展一次射线及渗透检测，发现超标缺陷及时消除。

5 结束语

该厂自2021 年出现高压主蒸汽流量计小管异种钢焊缝失效后，为避免再出现同类型缺陷，采取了一系列的整改措施。首先，对全厂全部异种钢焊缝，特别是马氏体耐热钢与不锈钢材质的异种钢焊缝焊接安装记录资料进行排查，对于未严格按照焊接和热处理工艺施工的焊缝全部割除，重新按照标准焊接和热处理工艺进行焊接和热处理。其次，全面排查热控仪表管、取样管、流量计管、疏水管等全部小规格管道，对支架安装不合理、小管固定方式阻碍管道膨胀和位移的逐一整改支架和固定方式。最后，加强机组对小规格管道的点巡检，发现支吊架缺陷和管道振动异常的，及时排查原因并消除缺陷。结合机组检修机会，定期开展异种钢焊缝的金属监督检验工作，及时发现隐患，及时处理。通过以上一系列的整改措施，该厂自2021 年出现高压主蒸汽流量计小管异种钢焊缝失效后，至今未再出现同类型缺陷。