張永軍， 張偉妮， 王 崢， 王延峰

(1. 山西大唐國際運城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西運城 044000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

2009年以前，ASME SA-335/SA-335M系列標(biāo)準(zhǔn)《高溫設(shè)備用無縫鐵素體合金鋼管規(guī)范》和我國的DL/T 438系列標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中僅對P91無縫鋼管的硬度上限提出了要求，即管材硬度不應(yīng)超過 250HB/265HV/25HRC，對硬度下限并未提出具體要求，故在設(shè)備制造和機組檢修過程中，無論是進口的還是國產(chǎn)的P91管材、管件都存在硬度偏低的現(xiàn)象。直到2009年，才對 9%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Cr系列鋼制管道的硬度做出規(guī)定，要求其硬度應(yīng)控制在180HB～250HB，但在DL/T 438—2009 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》及ASME SA-335/SA-335M—2009 《高溫設(shè)備用無縫鐵素體合金鋼管規(guī)范》正式頒布之前，已經(jīng)有部分管材硬度低于180HB的 P91管件被安裝到亞臨界和超臨界火電機組中作為主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道使用[1]。P91管材的硬度與其持久強度及壽命有一定的對應(yīng)關(guān)系，硬度偏低將嚴(yán)重影響其使用壽命，當(dāng)發(fā)現(xiàn)P91管件存在硬度偏低的情況時，需要對這些管件剩余壽命進行評估，以提出科學(xué)合理的檢修周期或更換策略，做到既能夠保障生產(chǎn)，又能夠安全運行[2]。

在對某機組P91主蒸汽管道進行檢修時，發(fā)現(xiàn)該機組某彎頭部位硬度偏低，金相組織異常，故對該彎頭進行割管取樣，開展相關(guān)性能試驗，進而對該P91管材的彎頭進行剩余壽命預(yù)測。該機組自投產(chǎn)至今累計運行59 860.11 h，管道蒸汽溫度為541 ℃，正常運行下的管道蒸汽壓力為17.5 MPa。

1 試驗材料

對割取的彎頭表面進行硬度測試，并對其進行壁厚測量。用里氏硬度計進行硬度測試，測得的硬度最低值僅為140HBHLD。用超聲測厚儀進行壁厚測量，測得該彎頭的平均壁厚為42.55 mm，最大壁厚為49.3 mm，最小壁厚為38.4 mm。在硬度較低的區(qū)域解剖取樣并進行試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

表1為取樣彎頭的化學(xué)成分分析結(jié)果，各元素含量均滿足GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對10Cr9Mo1VNbN鋼的要求。

表1 彎頭的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 硬度測試

將解剖獲得的全壁厚硬度塊試樣，在布氏硬度試驗機上由內(nèi)壁向外壁依次進行硬度測試。所測得的硬度在160HB～170HB，與里氏硬度計測得的硬度存在一定偏差，普遍高出20HB左右，但仍不滿足DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求。

2.3 金相組織分析

對硬度偏低的試樣開展金相組織分析，結(jié)果見圖1。從圖1可以看出：該彎頭的顯微組織為等軸狀鐵素體+碳化物，而非正常的P91鋼材金相組織，即回火馬氏體[3]。

圖1 金相組織

2.4 顯微組織分析

采用透射電子顯微鏡觀察硬度偏低試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)，其形貌及析出相衍射斑點見圖2。

圖2 試樣的形貌及析出相衍射斑點

從圖2可以看出：大部分馬氏體板條形貌已消失，位錯密度明顯下降，晶界和晶內(nèi)都有碳化物析出。通過掃描透射電子顯微鏡(STEM)進行元素面分布和選區(qū)衍射分析，晶內(nèi)和晶界處可見較為粗大的析出相顆粒，其主要為Cr23C6相和富Mo元素的Laves相。另外，基體內(nèi)部還有較多的細小M(V,Nb)C相顆粒，且部分MX相發(fā)生粗化。

2.5 持久斷裂試驗

按照GB/T 2039—2012 《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》要求，對該彎頭在高溫下開展了加速持久試驗。為提高外推數(shù)據(jù)的可靠性，基于參數(shù)內(nèi)插原則，在布置持久試驗點時，使試驗應(yīng)力的范圍包絡(luò)住待評定的應(yīng)力(待評定應(yīng)力=實際服役應(yīng)力×安全系數(shù))。

3 壽命評估

3.1 服役應(yīng)力計算

彎頭應(yīng)力計算按DL/T 940—2005 《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術(shù)導(dǎo)則》中的公式進行，具體公式為：

(1)

式中：σθmax為最大環(huán)向應(yīng)力，MPa；p為管道正常運行下的壓力，MPa；Di為管道內(nèi)直徑，mm；S為彎頭(彎管)最小壁厚，mm；e為彎頭不圓度；μ為泊松比，取0.3；E為材料彈性模量，MPa[4]。根據(jù)式(1)計算得出該彎頭的最大環(huán)向應(yīng)力為93.22 MPa。

3.2 金屬壁溫

取管道蒸汽溫度(541 ℃)作為評估溫度。

3.3 剩余壽命計算

對持久試驗數(shù)據(jù)按照L-M參數(shù)法處理，并進行多項式擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 主蒸汽管道持久斷裂數(shù)據(jù)的L-M參數(shù)法處理

擬合得到圖3中的主曲線方程為：

P=T(31.046 1+lgtr)×10-3=

12.022 6+29.979 3×lgσθ-

10.256×(lgσθ)2

(2)

式中：T為金屬壁溫，K；tr為斷裂時間(剩余壽命)，h。

將環(huán)向應(yīng)力和金屬壁溫代入式(2)，求出管子的剩余壽命。工程上，為保證評估的安全性，需要將應(yīng)力乘以一定的安全系數(shù)n(n≥1)，在高于實際服役應(yīng)力的情況下進行評估，以得到較為保守的結(jié)果。在我國，管道強度設(shè)計一般是取1.5作為安全系數(shù)，故壽命評估亦采用此安全系數(shù)。結(jié)果表明，在管道蒸汽參數(shù)為541 ℃、17.5 MPa的服役條件下，該彎頭的剩余壽命為5.47×104h。

4 結(jié)語

通過對P91主蒸汽管道某彎頭開展詳細的組織和性能分析，得出如下結(jié)論：

(1) 該彎頭的硬度值已不滿足DL/T 438—2016的要求。

(2) 金相顯微鏡觀察結(jié)果顯示該彎頭的顯微組織為等軸狀鐵素體+碳化物。

(3) 該彎頭透射電子顯微鏡組織中大部分馬氏體板條形貌已消失，位錯密度明顯下降，晶界和晶內(nèi)都有碳化物析出。析出相主要為Cr23C6相和Laves相。另外，基體內(nèi)部分布著大量的M(V,Nb)C相顆粒，部分MX相發(fā)生粗化。

(4) 通過對彎頭開展加速持久試驗，對數(shù)據(jù)按L-M參數(shù)法進行擬合，得到了該彎頭的持久強度主曲線方程，并以此對該彎頭的剩余壽命進行了評估。按照安全系數(shù)為1.5進行計算得出：在管道蒸汽參數(shù)為541 ℃、17.5 MPa的服役條件下，該彎頭的剩余壽命為5.47×104h，因此仍可以安全使用至少6 a。