刘天佐
摘 要：锅炉受热面管经长期高温、高压服役后的异种钢焊接接头组织老化及损伤状态研究，主要有三种评估方法能获得更安全的评估结果：（1）对受热面管进行表面渗透、超声波探伤、壁厚测量，发现有超标缺陷的管子立即更换；（2）割取典型位置的焊接接头进行显微组织检验及力学性能试验，以对管材状态作出综合评估；（3）通过测量异种钢焊接接头马氏体/珠光体耐热钢侧内壁氧化皮的厚度及有效金属层厚度，估算管壁的金属当量温度及蠕变剩余寿命。
关键词：受热面管；异种钢接头；老化及损伤；评估方法；研究
中图分类号：TG407 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）04-0102-01
1 概述
现阶段我国的电站锅炉当中大部分的异种钢接头，已经非常接近十万小时左右的失效时间，实际在运行的时候出现的问题也不断增多，出现的主要问题包括：组织老化、力学性能降低、接头熔合线周边出现氧化缺口的问题，还有就是管子内壁的氧化皮厚度有一定程度的增加。这对锅炉的安全运行产生了非常大的影响，特别是锅炉在启动、停运以及负荷变化比较频繁的时候运行，发生锅炉管泄漏的几率非常大，进而导致企业需要承受巨大的经济损失，并且对于工作人员的人身安全也有很大的威胁。因此，定期评估组织老化以及损伤的状态有着非常重要的作用，通过定期的检查就能够及时发现存在的问题，并对已经损伤的管子及时更换，有效避免了锅炉管发生泄漏的现象。
2 评估方法研究
2.1 无损检验
在现场无损检验异种钢焊接接头的时候，如果现问题必须要及时处理，无损检验方法能够有效防止热器管发生爆管的现象，并且也为电厂的锅炉检验计划、维护计划、换管计划提供了非常重要的技术支持，确保锅炉更加稳定、经济的运行，使锅炉管能够进行状态检修。其中标准DL 438的监督规程中有明确的规定：高温过热器或者是高温再热器的高温段当使用18-8不锈钢管的时候，对异种钢焊接接头需要在运行至9万h时左右就要进行宏观检查以及无损探伤抽查的工作，抽查的比例一般情况下是25%。宏观检查主要的作用就是为了查看异种钢焊接接头及其周边的管段是否出现磨损、腐蚀、变形或者是表面出现裂纹的问题，并详细进行记录，对存在问题管段必须要第一时间进行更换。在测量异种钢焊接接头的时候，必须要仔细测量管段是否出现胀粗以及壁厚减薄的现象，并且详细进行记录，对出现胀粗或者是壁厚减薄的问题必须要定时进行监督，必要的时候应当择机进行更换。
2.2 异种钢焊接接头割管取样试验室评估
2.2.1 显微组织检验
锅炉热面管由于长时间经受高温、高压运行，显微组织必然会出现一定的老化或是损伤的情况。通常情况下，珠光体耐热钢侧的老化程度相比较不锈钢侧的显微组织要更加明显一些，在光学显微镜下观察分析管样的显微组织就可以评定该管样实际的老化度。
图1（a）是服役约7万小时的异种钢焊接接头G102钢侧的显微组织，看图就能够知道，是回火贝氏体再加上碳化物，有些碳化物已经在晶界聚集成球状或是链状形态，球化的级别是4到5级之间。
图1（b）为服役7万小时左右的异种钢焊接接头TP304H不锈钢侧的显微组织，看图就能够得知，在奥氏体晶界周边碳化物析出，导致奥氏体晶界出现一定程度的粗化，严重的情况下就会会呈现出链状排列的形态，使组织连续性受到一定程度的损坏，使管材出现晶间腐蚀进而导致开裂的现象有很大程度的提升。所以，对不锈钢母材进行严格的检验工作，通过检验就能够准确反映出材料实际的老化程度。
如果管样的使用期限快到的时候，那么管材的显微组织就会出现蠕变孔洞以及晶粒变形等现象。显微组织老化对管材的强度有非常大的影响，随着强度的降低就会导致部件因为强度不足出现失效现象。
2.2.2 拉伸性能试验
对运行管样的焊接接头和周边的母材进行力学性能试验，把结果与得出的实验数据进行比较，对运行管样的实际强度进行插件，是否达到相关的标准。通常情况下，管材在持续高温的环境中长时间的运行，就会使显微组织出现老化现象，并且力学性能有很大程度的降低。图2就是异种钢焊接接头（T91/TP347H）的备品管以及运行十三万小时左右的管样拉伸强度对比图，看图就能够知道，相比较备品管来说，运行管母材的屈服强度和抗拉强度分别有相应地下降，其中焊缝处的抗拉强度及屈服强度下降最为明显。
2.2.3 碳迁移带观察
异种钢焊接接头实际在使用的时候，在一定程度上就会出现碳迁移的情况，主要是在焊缝熔合线周边的碳迁移带，这就大大降低了焊缝熔合线强度，就有很大的可能发生失效。图3是运行七万小时左右的异种钢焊接接头熔合线周边的碳迁移带形貌。如果管子当中有相似的碳迁移带，就应当对管子及时进行更换，防止存在安全隐患。
2.3 异种钢焊接接头马氏体/珠光体耐热钢侧内壁氧化皮厚度测量
对锅炉管的剩余寿命造成影响的因素主要包括：温度、应力以及实际的运行长短，而温度是管子运行的当量金属壁温，而应力就是管子的实际应力，运行的长短就是管子实际的运行时间。高温锅炉管因为需要承受非常高的压力，而且是在蠕变的温度范围内进行运行，发生损伤的表现形式主要为高温蠕变。随着长时间的运行，在显微组织中就会慢慢出现老化的现象，而非不锈钢材料的管子内壁就会形成一层氧化皮，其成份主要有Fe2O3和Fe3O4，氧化皮对金属管壁的传热热阻有一定程度的增加，无法使管壁第一时间进行冷却，这就致使管壁的金属温度不断增加，在很大程度上加快了管壁金属的氧化。所以，可以利用锅炉管内壁氧化皮的实际厚度对锅炉管壁的当量金属温度进行评估，这就就可以对管子的蠕变剩余期限进行估算。
3 总结及建议
综上所述，本文所论述的三种异种钢焊接接头组织老化及损伤状态的评估方法存在一定的差异，必须要按照现行的实际情况，采用最为合适的方法进行评估。此外，异种钢焊接接头一般都是在非常复杂的工况下进行运行的，不但需要承受正常的工作应力，还必须要承担机组启动、停止的负荷变化，所产生的温度改变引起的循环热应力的作用，导致蠕变-疲劳交互作用应力，因此建议在对其进行寿命评估时还应综合考虑焊接接头的老化和氧化缺口的蠕变-疲劳交互作用。
