1、引言

新型耐热材料技术的研发促进了超超临界发电技术的发展。2006年12月，玉环电厂#1机组做为中国首台1000MW超超临界机组成功投入商业运行，截止目前，我国已投运百万千瓦机组近30台，已经成为世界上拥有超超临界机组最多的国家。P92钢做为近年来我国火电建设广泛应用的新型耐热钢，在规范设计、制造加工、焊接安装、运行监督等方面还处在经验积累阶段，特别是运行后的破坏机理更需要研究分析，及时将生产和应用中反映出的材料方面技术问题不断探讨，才能保证我国超超临界机组的安全稳定运行。

华能玉环电厂#1、#2机组现已运行近三万小时。电厂基建初期，华能公司高度重视，联合科研、施工、配管厂等单位进行了P92钢焊接工艺研究及评定，在取得成功后应用到施工现场。截止2010年上半年机组检修，#2机组累计运行2.5万小时，检修期间结合机组安装阶段发生的问题，对主蒸汽管道P92钢母材、焊缝、弯管、监视段进行了全面检查，项目包括宏观、壁厚、金相、硬度、蠕变以及超声波、射线、磁粉等无损检测。

2、P92钢成分及性能

P92钢是在P91钢的基础上，适当降低Mo元素的含量，同时加入1.8%左右的W，并经过添加微量B而改良的新型耐热钢，具有较高的高温持久强度、抗疲劳、抗蒸汽氧化、加工工艺和焊接性能，最高使用温度可达625℃，许用应力及高温强度有了较大提高，可以使得受压元件的壁厚减薄，不仅节约了金属，更因为它们具有较高的导热率和较低的热膨胀系数而有利于减轻热疲劳损伤，主要用于超超临界机组主蒸汽管道。化学成分及力学性能见表1、表2。

3、P92钢焊接接头的性能要求

P92钢的优异性能来自于对金属组织的精确控制，在制造和安装中如果没能严格执行正确的工艺，没有获得合适的组织，都将导致P92钢高温强度的显著下降从而使部件早期失效，因此必须保证P92钢焊缝各项指标符合要求，才能保证主蒸汽管系的运行安全。

P92钢用在高温部件，持久强度是其最为重要的性能，作为一种铁素体、马氏体类耐热钢，长期运行中的 IV型裂纹会导致接头强度显著低于母材。另一方面，焊态下马氏体钢的焊缝金属硬度高、韧性低，需要合理的热处理来降低硬度，获得足够的韧性，避免运行和检修中的开裂。因此必须保证足够的焊缝冲击功储备。但片面追求高的冲击功，如提高焊后热处理温度，有可能使接头的持久强度降低。因此需要选择合理的工艺，在焊接接头强度和韧性之间寻找一个平衡点。

4、玉环电厂P92钢焊接工艺评定

玉环电厂主蒸汽管道材料选定后，由于P92钢在我国火电建设引用还是第一次， 2005年1月，玉环工程正式启动P92钢焊接工艺评定工作，明确了由华能组织、西安热工院技术监督指导、江苏电力装备、浙江火电、天津电建合作开展P92钢管道的工厂化配管和现场安装的焊接工艺评定工作，并邀请国电电力建设研究所进行工艺试验过程监督。

选择一种焊接工艺性能良好、焊缝金属性能优异的焊接材料是保证焊接接头质量的前提。玉环工程选择了三种国外成熟的 P92手工电焊条进行了熔敷金属试验对比及热处理试验、力学性能以及下临界转变温度AC1的测试、金相组织分析以及工艺性能对比，最终选取了钢芯过渡方式的MTS 616焊材，其熔敷金属的AC1相变温度为802℃，图1是回火温度对熔敷金属硬度的影响，AC1高的焊缝金属抗回火能力更强。

P92钢焊接材料选定后，与合作单位共同对 P92钢埋弧焊丝、手工焊条、氩弧焊丝进行了更全面的熔敷金属试验，并最终确定了 SMAW、SAW、TIG等焊接方法及其组合的合理工艺参数并通过了工艺评定，其中关键指标热处理温度确定为760±10℃，焊缝热处理后硬度为180-250HB，以保证冲击功达到41J的最低要求。由于现场无法对厚壁管道的焊缝取样进行冲击功测试，在焊接材料和焊接工艺确定后，冲击功只取决于焊后热处理温度和时间(如图2)，焊缝硬度一定程度上能反映焊后热处理是否充分。

5、P92钢安装过程质量控制

P92钢虽然与 P91成分和组织接近，但在工艺评定过程中我们发现，P92钢焊缝的性能对工艺的敏感性比P91高，尤其是对热处理温度准确控制程度要求很高，针对此问题，我们采取了相应的解决措施。

工艺评定过程中发现焊后热处理设备和操作上存在较大问题，包括：温控系统可靠性较差，无参考端补偿装置;热电偶采用绑扎的安装方式，无法真实反映热处理金属部件的实际温度;规程推荐的加热带宽度计算方法不合理，对大口径管道易造成焊缝根部热处理温度过低。这些原因导致热处理温度处于随机的失控状态。

针对上述问题，玉环电厂先后制订并执行《P92钢焊接工艺实施细则》、《P91、P92焊后热处理工艺导则》及《P91、P92焊接质量检验导则》三个企业标准来规范本工程P92钢的焊接和热处理。焊接过程中严格控制根部焊接质量、层间温度及焊接线能量，采用多层多道摆动焊接以及通过精细控制热处理温度等方法，焊缝各项试验数值满足设计要求，完成的安装焊口焊缝表面成形良好，焊道均匀，经超声波探伤合格，硬度及金相试验结果均符合工艺要求，确保了机组关键部件的安装质量。

6、P92钢安装阶段曾发生的问题

6.1 P92钢母材缺陷问题

2007年6月玉环电厂#4机组主蒸汽管道安装时，经超声波检测发现管端部母材距外表面2/3深处,存在超标缺陷9处，长度40-300mm不等、宽度20mm，位置在离坡口端面80mm以内整圈分布，性质为分层折叠缺陷。产生的原因是钢管制造期间，钢胚浇铸工艺不当或切冒头不足，钢管经过热挤压之后，钢锭内部的气孔、非金属夹杂物被压成薄片，出现分层现象，成管后剪边量不足，无损检测漏检，致使不合格管段出厂。缺陷主要集中在管端部200mm以内。后经扩大检查，共发现8根管存在类似缺陷，及时进行了更换。

P92钢中的分层缺陷，将使钢材沿厚度方向受拉的性能大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂，严重影响了主汽管道的性能，将在今后的运行过程中存在潜在的危险。修订的DL/T438-2009条款里采用了玉环电厂的经验，增加了对高温高压管道端部0-500mm范围的超声波检测。

6.2 P92钢管道埋弧自动焊缝表面微裂纹缺陷

2007年5月，玉环电厂在进行#3、#4机组安装过程中，了解到P92钢管道配管厂焊缝表面存在微裂纹缺陷。立即安排对现场同类焊缝进行全面磁粉普查，累计检测厂家焊缝35只，其中30只存在微裂纹缺陷，如图3。缺陷特征为埋弧自动焊焊缝表面裂纹，长度5-20毫米，稍打磨1-2毫米即可消除。对焊缝内部进行超声波检测，未发现异常。

初步分析缺陷产生原因之一是配管厂P92钢埋弧自动焊焊接工艺可能存在线能量过大问题;之二是焊后受整体热处理所限没有及时进行热处理;之三也不排除在对焊口进行超声波、磁粉检测时，因耦合剂及磁悬液中含水，造成焊缝表面氢脆裂纹。之四因该类裂纹既非常见的焊接热裂纹，也不完全符合延迟裂纹(氢致裂纹)，可能是P92钢焊缝的高应力马氏体在潮湿环境作用下产生的应力腐蚀裂纹，与焊缝金属较高的残余应力有关。

7、P92钢焊缝运行后失效案例

截止2010年上半年，我国投运的百万千瓦超超临界火电机组已有27台，许多电厂运行过程发现P92钢焊缝失效问题。

例一，某电厂百万千瓦超超临界机组#8锅炉，运行1.1万小时后，主蒸汽管道(材质A335P92，规格Φ540×85mm，运行温度605℃、压力26.25MPa)焊缝边缘有一条环向裂纹。

例二，某电厂百万千瓦超超临界机组#3锅炉投运仅4个月，再热蒸汽热段管道，(材质A335P92，规格Φ836×46mm，运行温度600℃、压力7.2MPa)，运行中发现对接焊缝有贯穿性裂纹，图4。

缺陷产生的原因：两例P92钢裂纹均发生在焊缝上，从缝表面形态看，焊道不均、宽度较大，高底不平，成型不良，易产生应力集中;不排除安装阶段热处理控制没有达到要求，造成硬度偏高，韧性降低;支吊架设计、安装、调整不到位，造成管系应力不均;管道在运行后，受启停机冷热应力交变及管道内压应力作用下，产生裂纹并遂渐扩展。

P92钢焊接性问题主要有：焊接韧性低、冷裂纹倾向、Ⅳ型裂纹及焊缝的失效。由于P92钢焊接对层间温度敏感性很强，当层间温度超过300℃，出现裂纹的可能性就会增大。施焊过程中要求强化工艺规律，严格控制焊接线能量、规范操作过程，对焊接全过程进行监控，特别注意层间温度和热处理温度精确控制，确保焊缝组织和硬度指标符合规范要求。

8、运行2.5万小时后性能分析

8.1 P92钢运行2.5万小时前后金相组织对比

9Cr钢在长期经受高温蠕变作用中易出现合金元素的再分配，是固溶强化减弱;碳化物粗化长大，碳化物间距增大使蠕变强度减低。玉环电厂#2机组主蒸汽管道材质SA335P92规格Фn349×72mm，运行至本次检修约2.5万小时。运行最高温度605℃、压力27.46MPa。本次依据DL/T884及GB/T17394分别进行了金相检验和硬度检测。从主蒸汽管道母材、焊缝及热影响区检查结果看，金相组织均为回火马氏体，马氏体板条形状清晰可见，未见明显碳化物粗化长大现象，图5-10。部分焊缝热影响区金相组织为回火马氏体以及少量δ铁素体，图11-12。所有母材及焊缝硬度值降低不明显。

8.2 超声波、磁粉检测结果分析

针对基建安装阶段曾发现的P92钢管端母材缺陷，玉环电厂几年来利用机组检修时期，对#1、#2机组各段主蒸汽管道端部进行超声波检查，未发现可记录缺陷。对#3、#4机组安装阶段2段记录缺陷位置复检，原缺陷未见扩展。对直段、弯管部位母材壁厚依据GB/T11344测量无明显变化。依据JB/T4730.3对安装焊缝进行检查，未见可记录缺陷。

针对基建安装阶段曾发现的P92钢配管厂埋弧自动焊焊缝表面裂纹缺陷，依据JB/T4730.4本次继续安排磁粉检测，未发现有新增类似缺陷。对部分P92钢弯头外弧面进行磁粉检测，未发现有可记录缺陷及异常。对弯管进行不园度测量，均符合标准要求，较安装阶段无明显变化。依据检验标准DL/T441对主蒸汽管道水平、垂直监视段进行蠕变测量，未发现异常。

9、综合分析

目前虽然P92钢已在我国超超临界机组广泛应用，但部分机组使用过程中已出现焊缝缺陷、失效现象。原因分析，个别电厂对新材料性能方面了解不深，研究不透，若设计、制造、配管及施工安装阶段对规范执行不严格，将会导致焊缝开裂、表面裂纹等早期失效现象发生，应引起高度重视。

玉环电厂虽然安装初期发生过P92钢壁厚设计偏薄、母材分层缺陷、焊缝表面裂纹等问题，但通过全过程管理，在机组安装阶段严格焊接工艺控制、严格热处理温度控制，确保了安装质量;设备投入运行后严格检测，及时处理，连续跟踪，包括必要的技术改造，如对主汽管道支吊架进行规范调整，确保管系平衡，减少应力集中;结合设备状态及早投入锅炉、管道寿命在线监测系统，加强运行管理、严格超温控制。最终确保了管系安全稳定运行。

综上所述，P92钢在我国火电建设中已得到广泛应用，建议后续建设的超超临界机组一定要吸取此前P92钢设计、安装、使用的经验教训，严格管理，从设计、制造、安装各环节加强控制。充分考虑新材料的各方面因素，保证设计壁厚符合要求，保证支吊架设计安装调整合理;安装阶段严格按照焊接及热处理工艺要求控制。在役超超临界机组，要加强监督力度，及时对钢材运行后的组织性能变化情况进行汇总、分析、评估，不断掌握规律，总结经验，采取有效的监督方法和手段，以满足我国百万千瓦超超临界机组安全运行需要。