超临界锅炉P91钢集箱局部硬度和金相组织异常原因分析

马加朋，盖红德 ，戴家辉 ，苏建盛 ，贾 文

（1.山东省特种设备检验研究院有限公司，山东 济南 250101；2.滨州市沾化区汇宏新材料有限公司，山东 滨州 256600）

0 引言

SA-335P91／P92钢是在9Cr-1Mo钢的基础上，通过加入V、Nb等合金元素而研究开发的，其不仅具有较高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且具有良好的冲击韧性和持久塑性及热强性能，广泛用于制造超（超）临界机组高温高压蒸汽集箱和管道，如果制造或安装过程工艺参数控制不当，就会出现各种质量问题。结合具体实例，介绍SA-335P91钢高温再热器出口集箱问题的发现与处理过程。

某电厂一期工程为4×350 MW超临界发电机组，其锅炉为DG-1130／25.4-Ⅱ2型超临界变压运行螺旋管圈直流炉，该锅炉为单炉膛、一次再热、前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉。锅炉的最大连续蒸发量最终与汽轮机的VWO工况相匹配，锅炉主要参数如下。

最大连续蒸发量：1 130 t／h；

过热蒸汽出口压力：25.4 MPa；

过热蒸汽出口温度：571℃；

再热蒸汽流量：926.49 t／h；

再热蒸汽进口压力：4.33 MPa；

再热蒸汽出口压力：4.13 MPa；

再热蒸汽进口温度：315℃；

再热蒸汽出口温度：569℃。

1 缺陷情况

该锅炉高温再热器出口集箱规格为Φ610 mm×30 mm，材料为SA-335 P91。依据相关规程，在安装现场对高温再热器出口集箱设备复验时，对该集箱进行了成分分析和硬度检验，发现部分箱体区域硬度异常。具体检验部位见图1，集箱化学成分及硬度分别见表1和表2。

图1 检验部位

表1 集箱化学成分质量分数 %

表2 检验部位硬度 HB

由表1可知，该集箱各元素含量均符合ASMESA-335标准要求。根据DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》的要求，对于ASMESA—335 P91 钢集箱，集箱的母材硬度应控制在 180～250HB［1］。从表2中可以看出，该集箱在距焊缝150 mm处硬度低至139 HB，不符合标准要求。之后，加大对该集箱的硬度检验比例，每隔50 mm进行多次硬度检验后，发现集箱硬度异常区域约为50 mm×50 mm，其他区域硬度正常。

图2 集箱箱体金相照片

硬度在一定程度上表征了材料的综合理化性能情况，不同的硬度状态，其微观组织也相应不同［2］；进一步确定硬度异常的原因，该集箱箱体不同部位进行了金相检验，结果见图2。从图2（a）中可以看出，硬度异常区域的微观组织为大块状铁素体+回火马氏体+淬火马氏体，不符合 DL／T 1161—2012《超（超）临界机组金属材料及结构部件检验技术导则》3.1.2条中P91钢微观组织应为高温回火状态板条马氏体组织的要求［3］；另外放大100倍的金相图片中，金相组织中的铁素体质量分数高达35%，而DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》7.3.2条中规定δ-铁素体质量分数不超过5%。硬度异常位置以外区域微观组织为回火马氏体，未见异常，见图2（b）。由上述结果可知，该高温再热器出口集箱硬度异常区域，微观组织异常，铁素体含量超标，其他区域微观组织正常。

2 原因分析

从检验结果可以看出，该集箱硬度和微观组织异常区域位于集箱箱体上，面积较小，考虑到在安装现场未对该集箱进行任何加工，可判断该集箱存在制造质量问题。

图3 热处理炉结构

为进一步分析该集箱制造过程中硬度及金相组织异常的原因，查阅了该集箱制造厂的原料入厂复验资料，该集箱原材料硬度符合要求，之后对集箱焊接及热处理工艺、焊接记录和热处理曲线进行了核查，未发现异常。考虑到集箱大部分区域硬度和金相组织合格，仅小部分区域出现异常，实地察看了集箱制造厂的热处理过程，发现热处理炉存在一些问题。该热处理为台车式燃气炉，其整体布局如图3所示。热处理炉内部尺寸为 4 m×3 m×20 m（宽×高×长），内部空间较小；采用火焰加热，左右侧墙及下部各有3个火焰喷口，后墙下部有2个火焰喷口，火焰喷口数量较少，且喷口温度较高；热电偶布置在左右墙和后墙的上部，其中左右墙各2个，后墙1个，距离火焰喷口过远，难以监控炉子中下部温度。

通过分析认为造成SA-335 P91钢集箱局部区域硬度和金相组织异常的原因如下。在管接头焊接完毕后，在热处理炉中对高温再热器集箱进行整体焊后热处理过程中，因该热处理炉采用火焰加热方式，炉内受热不均匀，热电偶数量过少，且分布不均，不能有效监控炉内各处温度，加上集箱放置位置离火焰喷口太近，造成热处理过程中该集箱靠近火焰喷口但是远离热电偶的局部区域温度超标，超过了SA-335 P19钢的相变温度（Ac1），致使部分回火马氏体发生相变转变为奥氏体组织，在随后的冷却过程中，因集箱壁厚和尺寸较大，热处理炉保温性较好，在相变温度附近停留时间过长，形成铁素体和奥氏体组织，随着继续降温进入马氏体形成区域，部分未转变完全的奥氏体进行马氏体转变，最终导致该区域金相组织由回火马氏体、铁素体和淬火马氏体组成，该区域的硬度将大大降低。集箱其他未靠近火焰喷口的部位则经过了正常的焊后热处理过程，组织仍为回火马氏体［4-5］，硬度和微观组织正常。

3 处理措施

通过分析，焊后整体热处理操作不当导致该集箱局部区域硬度和微观组织异常，而正常的金相组织是获得能满足高效稳定安全运行的P91钢材料的重要控制因素之一，组织中出现的大量块状铁素体会导致性能的急剧降低［2］，所以必须对该集箱进行处理。针对这种情况，根据DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》和DL／T 819—2010《火力发电厂焊接热处理技术规程》的相关规定，对该集箱采取了处理措施。

对热处理炉和热处理过程进行改进。在热处理炉内中下部增加热电偶，实现对热处理炉内各部分温度的监控；热处理控制仪表经过相关部门检定合格，控制有效加热区炉温均匀性不大于10℃；热处理过程中集箱下部放置垫铁，使集箱在炉内中央位置，尽可能远离火焰喷口，管座朝上；用金属隔板隔离加热火焰，防止火焰直吹到工件上造成过烧。对该集箱重新进行正火+回火热处理，正火温度为1 040～1 070℃，回火温度为750～770℃，具体的正火+回火热处理工艺见图4。

图4 正火+回火热处理工艺

采取上述改进措施，对高温再热器出口集箱进行正火+回火热处理后，对集箱上母材和焊缝进行100%硬度检验，每个部位不少于3点，重点确认原来硬度异常区域是否符合硬度要求。对原来微观组织异常区域重新做金相，经过检验，所抽检各点硬度和微观组织均符合 DL／T 1161—2012《超（超）临界机组金属材料及结构部件检验技术到则》和DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》及其他规程、工艺文件要求。

针对P91钢集箱局部硬度和金相组织异常，从焊后热处理和硬度检验方面对于集箱制造过程中提出了预防措施。

P91钢集箱优良的性能是通过精确的化学成分控制和严格的热处理过程来实现的，所以应该加强对集箱制造过程中焊后热处理的质量管理，制造过程最好使用电热处理炉，如使用燃气热处理炉，则应该防止火焰接触工件，重点确保部件受热均匀，内外壁温差小，严控热处理温度和热处理时间，杜绝局部温度过高现象。

硬度间接反映了材料的微观组织和机械性能，并在一定程度上表征了材料的综合理化性能情况，是评估材料安全性的关键因素之一，硬度检验简单易行，所以在安装前，应对SA-335P91材质集箱进行100%硬度抽检，如发现硬度异常，则进一步进行金相检验来判定材料的可用性。

DL／T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》对于9%～12%Cr材料集箱安装前的硬度检验，仅要求按筒节段数和制造焊缝的20%进行硬度检验，检验比例太低，且对于母材的硬度检验位置未提出详细要求，易导致问题集箱漏检［6］。根据本次高温再热器出口集箱硬度和金相异常情况，建议在实际检验中应提高对9%～12%Cr材料集箱的硬度检验比例至100%，并且硬度检验位置不能仅局限于焊缝两侧，而应该对高合金集箱或管道的母材沿一定的距离进行多次检验，以发现局部硬度异常区域，避免因部分区域组织异常影响机组的安全运行。

4 结语

对高温再热器出口集箱进行安装前检验，检验后发现集箱局部区域硬度低于标准要求的下限，微观组织异常，出现了块状铁素体和淬火马氏体。经过分析，该异常是由于焊后整体热处理过程中集箱局部区域超温所导致。针对该集箱问题，对热处理炉进行了改造，对热处理过程进行了改正，并提出了正火+回火的热处理方案，对处理后的检验提出了要求。

［1］中国电力企业联合会.火力发电厂金属技术监督规程：DL／T 438—2016［S］.北京：中国电力出版社，2016.

［2］高立新，李炜丽，侯小龙，等.P91钢高温蒸汽管道低硬度对其理化性能的影响［J］.华北电力技术，2015（7）：37-43，66.

［3］中国电力企业联合会.超（超）临界机组金属材料及结构部件检验技术导则：DL／T1161—2016［S］.北京：中国电力出版社，2012.

［4］蔡文河，赵卫东，王智春，等.P91钢管蒸汽管道软化机理与热处理工艺控制［J］.热力发电，2013，42（1）：23-25.

［5］王宝臣，田旭海，梁军，等.P91钢管硬度低的原因分析及对性能的影响［J］.神华科技，2012，10（3）：48-52.

［6］赵欣刚，赵立，金南辉.超超临界机组P91／P92钢安装过程质量控制［J］.电焊机，2012，42（10）：87-91.