杜晉峰，蔡文河，王 斌，梁 軍，董樹青，王智春，孫 標(biāo)

(1.神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025；2.大唐火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040；3.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引 言

電力行業(yè)有大量的承壓部件長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境中工作，這種惡劣的服役工況加速了材料組織的老化和性能的下降。因此，對(duì)服役期內(nèi)材料組織及性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)是確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[1-4]。電力行業(yè)DL/T 438-2016標(biāo)準(zhǔn)明確要求在機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)對(duì)高溫高壓部件材料進(jìn)行組織及性能檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)材料的性能及狀態(tài)[5]。近年來，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，亞臨界及以上參數(shù)火電機(jī)組主蒸汽、再熱蒸汽管道(P91鋼)等高溫承壓部件經(jīng)常出現(xiàn)局部硬度低于DL/T 438-2016標(biāo)準(zhǔn)要求(180～250 HB)的現(xiàn)象；這對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成了一定風(fēng)險(xiǎn)，因此急需對(duì)部件材料的服役性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。割管取樣進(jìn)行硬度、拉伸、沖擊和高溫持久試驗(yàn)是常用的評(píng)價(jià)方法。但是對(duì)于大厚壁高溫承壓管道，割管取樣將破壞管道系統(tǒng)的完整性，其所受應(yīng)力也會(huì)隨之發(fā)生變化，并且在修復(fù)管道時(shí)又會(huì)面臨現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量不易控制等問題，因此對(duì)大厚壁部件采用破壞性取樣試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)需慎之又慎[6-10]。硬度測(cè)試是評(píng)價(jià)火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽、再熱蒸汽管道等大厚壁部件力學(xué)性能的常用方法，若能建立起硬度與持久性能的關(guān)系，則通過現(xiàn)場(chǎng)硬度檢測(cè)，就能快速獲得部件材料在服役狀態(tài)下的持久性能，從而在不破壞部件完整性的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)部件服役壽命的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)。

為此，作者在服役5.6萬h的超臨界火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道和高溫聯(lián)箱管段(P91鋼)上取樣，測(cè)試得到服役狀態(tài)下P91鋼試樣的硬度、拉伸和短時(shí)持久性能，建立了不同硬度下持久強(qiáng)度-持久斷裂時(shí)間的關(guān)系式。該關(guān)系式的建立，有望通過短時(shí)持久試驗(yàn)快速得到不同硬度P91鋼的持久強(qiáng)度曲線，從而通過現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)定實(shí)現(xiàn)P91鋼持久性能的快速獲取，為電站P91鋼部件延壽及使用提供技術(shù)支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣取自某電廠服役5.6萬h的超臨界火力發(fā)電機(jī)組主蒸汽管道和高溫聯(lián)箱管段，材料均為P91鋼，服役溫度為560 ℃。采用D型便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)割取管段進(jìn)行非破壞性硬度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)同一管段的環(huán)向硬度差異不大，軸向硬度存在一定差異。因此，截取厚度在220250 mm、硬度分布均勻的圓環(huán)試樣，圓環(huán)各位置硬度相差很小。不同圓環(huán)試樣的硬度見表1，其中試樣16不滿足DL/T 438-2016規(guī)定的硬度指標(biāo)要求(≥180 HB)，試樣7～12滿足硬度要求。

為了更精確測(cè)定圓環(huán)試樣硬度，使用HBRV-187.5型硬度計(jì)再次檢測(cè)不同試樣(表1中12個(gè)試樣)的硬度。采用合金鋼球，直徑為2.5 mm，載荷為1 837.5 N，載荷保持時(shí)間為10 s，測(cè)3個(gè)位置取平均值，布氏硬度測(cè)定結(jié)果見表2。

表1 里氏硬度計(jì)測(cè)試得到不同圓環(huán)試樣的硬度Table 1 Hardness of different annulus samples by Leeb hardness tester HB

表2 布氏硬度計(jì)測(cè)試得到不同圓環(huán)試樣的硬度Table 2 Hardness of different annulus samples by Brinell hardness tester HB

由表1和表2對(duì)比可知，采用里氏硬度計(jì)測(cè)得的硬度比采用布氏硬度計(jì)測(cè)得的小，且誤差范圍較大，在10～20 HB以內(nèi)。測(cè)試原理表明，以恒定載荷為試驗(yàn)力的布氏硬度計(jì)較以沖擊載荷為試驗(yàn)力的里氏硬度計(jì)的測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確可靠，因此后文除非特指，硬度均為布氏硬度計(jì)測(cè)得的數(shù)值。

采用斯派克LMX07型直讀光譜儀對(duì)布氏硬度平均值分別為160，180，200 HB的圓環(huán)試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。由表3可知，不同硬度試樣的化學(xué)成分均符合ASME SA-335標(biāo)準(zhǔn)對(duì)P91鋼化學(xué)成分的規(guī)定。

表3 不同硬度試樣的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of samples with different hardness

在布氏硬度平均值分別為160，200 HB的圓環(huán)試樣上取金相試樣，經(jīng)磨拋和體積分?jǐn)?shù)3%的FeCl3溶液腐蝕后，在ZEISS AX10 Olympus型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。由圖1可見：硬度為200 HB試樣的顯微組織為典型的板條狀回火馬氏體，與ASME SA-335標(biāo)準(zhǔn)中P91鋼的組織一致；而硬度為160 HB試樣的顯微組織為回火馬氏體加少量鐵素體，馬氏體位相有所消退。

圖1 不同硬度試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of samples with different hardness

1.2 試驗(yàn)方法

受不同硬度圓環(huán)試樣數(shù)量限制，僅對(duì)部分試樣進(jìn)行了室溫、高溫拉伸試驗(yàn)和高溫持久試驗(yàn)。分別按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015，采用MTS-880型電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫和高溫拉伸試驗(yàn)以確定屈服強(qiáng)度，引伸計(jì)精度為±0.5%，拉伸速度為2 mm·min-1。高溫拉伸時(shí)使用試驗(yàn)機(jī)附屬管式加熱爐進(jìn)行加熱，采用雙熱電偶測(cè)控爐膛溫度和試樣溫度，試驗(yàn)溫度分別控制在540，560 ℃。拉伸試樣取樣位置和尺寸見圖2，每組拉伸試驗(yàn)的試樣數(shù)量為35個(gè)。

圖2 拉伸試樣取樣位置和尺寸Fig.2 Sampling position (a) and size (b) of tensile specimen

根據(jù)GB/T 2039-2012，采用RMT-D3型持久試驗(yàn)機(jī)分別在540，560 ℃下進(jìn)行持久試驗(yàn)，施加的應(yīng)力幅分別為60240 MPa，負(fù)荷精度為±1%，蠕變變形測(cè)試精度為0.001 mm，控溫精度為±3 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為1×104h。持久試樣取樣位置和尺寸見圖3，每組持久試驗(yàn)的試樣數(shù)量為35個(gè)。

圖3 持久試樣取樣位置及尺寸Fig.3 Sampling position (a) and size (b) of stress-rupture specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 屈服強(qiáng)度和硬度的關(guān)系

由圖4可知：隨著硬度的下降，試樣的室溫(20 ℃)和高溫(540，560 ℃)屈服強(qiáng)度均下降；當(dāng)硬度低于180 HB時(shí)，屈服強(qiáng)度下降速度明顯加快；不同溫度下試樣的屈服強(qiáng)度-硬度曲線近似平行。

圖4 試樣在不同溫度下的屈服強(qiáng)度隨硬度的變化曲線Fig.4 Yield strength at different temperatures vs hardness curves of specimens

2.2 持久強(qiáng)度和硬度的關(guān)系

由圖5可知：隨著硬度的下降，試樣在不同溫度下的持久強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)硬度低于180 HB時(shí)，持久強(qiáng)度下降速度明顯加快；溫度越低，相同硬度試樣的持久強(qiáng)度越低；試樣的高溫持久強(qiáng)度-硬度曲線近似平行。持久強(qiáng)度隨硬度和溫度的變化規(guī)律與屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。低硬度不僅會(huì)造成材料拉伸性能的下降，也會(huì)造成其持久強(qiáng)度的惡化。對(duì)于在560 ℃服役5萬h的P91鋼，當(dāng)硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即不低于180 HB時(shí)，其屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度隨硬度減小的下降速度相對(duì)緩慢；但是當(dāng)硬度降低至不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即180 HB以下時(shí)，屈服強(qiáng)度和持久強(qiáng)度隨硬度減小快速降低。

圖5 170 MPa應(yīng)力下試樣的高溫持久強(qiáng)度隨硬度的變化曲線Fig.5 Stress-rupture strength at elevate temperature vs hardnss curves of specimens under stress of 170 MPa

由圖6可知：硬度為167 HB和206 HB試樣在560 ℃、不同應(yīng)力幅(60～240 MPa)下的持久強(qiáng)度與斷裂時(shí)間在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中呈線性相關(guān)，擬合直線的相關(guān)系數(shù)R為0.99，直線斜率K分別為-0.092，-0.090；硬度為160 HB和180 HB試樣在不同溫度(540，560 ℃)、不同應(yīng)力幅(70～240 MPa)下的持久強(qiáng)度與斷裂時(shí)間也呈線性相關(guān)，擬合直線的相關(guān)系數(shù)為0.99，斜率在0.08～0.09之間。由直線斜率可知，不同硬度試樣的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線近似平行。

圖6 不同硬度試樣的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線Fig.6 Stress-rupture strength vs rupture time curves of different hardness specimens: (a) specimens with hardness of 167,206 HB and (b) specimens with hardness of 160, 180 HB

2.3 分析與討論

持久強(qiáng)度表征的是材料在某一溫度下受恒定載荷作用時(shí)在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)不發(fā)生斷裂的特性。在役部件在服役期間的持久強(qiáng)度均為間接獲得。GB/T 5310-2017推薦了硬度在200～220 HB范圍內(nèi)10Cr9Mo1VNbN(P91)鋼在不同溫度下的持久強(qiáng)度，但這些推薦值對(duì)硬度低于180 HB的P91鋼的服役行為不具有指導(dǎo)意義。

大量P/T91鋼持久強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)該鋼硬度在200～220 HB范圍內(nèi)時(shí)，其在一定溫度下的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線呈現(xiàn)近似平行規(guī)律[11-12]；圖6(b)中的結(jié)果表明，硬度低于200 HB時(shí)P91鋼在不同溫度下的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線與硬度為206 HB的也近似平行。由此推測(cè)，P91鋼持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線的近似平行規(guī)律為其本質(zhì)特征。

以GB/T 5310-2017推薦的硬度200～220 HB范圍內(nèi)10Cr9Mo1VNbN鋼(P91鋼)不同溫度下的持久強(qiáng)度為基準(zhǔn)，結(jié)合圖6(b)中的數(shù)據(jù)，基于持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線近似平行的規(guī)律，建立不同硬度P91鋼的持久強(qiáng)度和斷裂時(shí)間的關(guān)系式：

y=Kx+B

(1)

式中：y為持久強(qiáng)度，MPa；K為斜率，-0.1-0.08；x為斷裂時(shí)間，h；B為截距，102.0102.5。

在現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)硬度為140～170 HB的P91鋼主蒸汽管及再熱管上取樣，采用大應(yīng)力(80%Rp0.260%Rp0.2)進(jìn)行102 000 h持久試驗(yàn)得到對(duì)應(yīng)的斷裂時(shí)間數(shù)據(jù)(圖7中所框數(shù)據(jù)點(diǎn))；利用式(1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得到全壽命周期持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線，如圖7所示。

圖7 基于短時(shí)持久數(shù)據(jù)擬合得到不同硬度試樣在540，560 ℃下的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線Fig.7 Fitted stress-rupture strength vs rupture time curves of specimens with different hardness at 540 ℃and 560 ℃ on the basis of short-term stress rupture data

在圖7中硬度分別為170，140 HB的全壽命持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間擬合曲線上取持久1萬h時(shí)對(duì)應(yīng)的持久強(qiáng)度，與長(zhǎng)時(shí)持久試驗(yàn)得到的持久強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。由表4可知，低硬度試樣長(zhǎng)時(shí)持久強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果的相對(duì)誤差不大于6%。由此可見，通過式(1)對(duì)短時(shí)持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，快速獲得長(zhǎng)時(shí)持久強(qiáng)度的準(zhǔn)確性較高。根據(jù)上述方法，建立起不同硬度P91鋼的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線，就可以在不破壞部件完整性的情況下對(duì)硬度異常P91鋼部件的使用壽命進(jìn)行評(píng)估。

表4 試驗(yàn)和擬合得到不同硬度試樣在540 ℃和560 ℃下持久1萬h的持久強(qiáng)度Table 4 Stress-rupture strength by test and fitting of different hardness specimens after stress rupture at 540 ℃ and 560 ℃ for 1×104 h

3 結(jié) 論

(1) P91鋼在不同溫度下的屈服強(qiáng)度隨常溫硬度的變化曲線近似平行，且屈服強(qiáng)度隨硬度的減小而降低，特別是當(dāng)硬度低于180 HB時(shí)，下降速度明顯加快；持久強(qiáng)度隨硬度的變化曲線也近似平行，并且持久強(qiáng)度隨硬度的變化規(guī)律與屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。

(2) 硬度低于200 HB P91鋼的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線近似平行，與他人研究所得硬度在200～220 HB P91鋼的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線近似平行的規(guī)律一致；根據(jù)上述規(guī)律建立持久強(qiáng)度與斷裂時(shí)間的線性關(guān)系式，使用短時(shí)持久數(shù)據(jù)擬合得到持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線，由此確定的長(zhǎng)時(shí)持久強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差不大于6%，擬合準(zhǔn)確性較高。

(3) 利用建立的線性關(guān)系式，通過短時(shí)持久數(shù)據(jù)獲取不同硬度P91鋼的持久強(qiáng)度-斷裂時(shí)間曲線，就可以在不破壞部件完整性的情況下對(duì)硬度異常P91鋼部件的使用壽命進(jìn)行評(píng)估。