封小亮, 馬 括, 劉課秀

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院, 廣州 510000)

T91耐熱鋼具有持久強(qiáng)度高、抗蠕變能力強(qiáng)、疲勞強(qiáng)度好，以及價(jià)格適中等特點(diǎn)，在亞臨界、超臨界、超超臨界發(fā)電機(jī)組的高溫承壓部件上得到廣泛應(yīng)用[1-3]，然而隨著鍋爐的超溫運(yùn)行、管子堵塞等問(wèn)題的發(fā)生[4-5]，鍋爐管爆裂事故率仍然很高，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。T91是一種高鉻馬氏體耐熱鋼，其在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，經(jīng)高溫、高壓等作用，會(huì)發(fā)生不同程度的顯微組織老化及性能劣化降級(jí)，給機(jī)組的運(yùn)行帶來(lái)隱患?，F(xiàn)階段并沒(méi)有較好的方法來(lái)評(píng)估管道老化狀態(tài)及預(yù)測(cè)剩余壽命，都是通過(guò)割管檢驗(yàn)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而割管檢驗(yàn)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響電廠的發(fā)電效率。筆者以失效的T91鋼管為研究對(duì)象，采用矯頑力對(duì)鋼管進(jìn)行分析，并結(jié)合硬度試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)結(jié)果，研究材料老化與矯頑力之間的變化關(guān)系，通過(guò)測(cè)量矯頑力就可無(wú)損、快捷地預(yù)測(cè)T91鋼管在任意服役條件下的老化組織特征及剩余持久壽命。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

失效的過(guò)熱器管(見(jiàn)圖1)材料為T91鋼，其鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～9.5%，鉬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%～1.05%，管子規(guī)格為51 mm×7 mm(外徑×壁厚)，過(guò)熱器出口壓力為18.20 MPa，工作溫度為540 ℃，因鋼管組織出現(xiàn)過(guò)熱而在向火面發(fā)生早期爆管[6]，該鋼管已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行約36 453 h，爆管使電廠出現(xiàn)非計(jì)劃性停機(jī)，給電廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 失效的過(guò)熱器管外觀

1.2 試驗(yàn)方法

采用矯頑力對(duì)鋼管進(jìn)行表征，矯頑力屬于材料磁滯特征參數(shù)。鐵磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯，其表征了鐵磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過(guò)程中B與H之間的關(guān)系。當(dāng)H減小為0時(shí)，B并不為0，而等于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。要使B減為0，必須加一反向磁化場(chǎng)，而當(dāng)反向磁化場(chǎng)加強(qiáng)到-Hc時(shí)，H才為零，此時(shí)Hc稱為矯頑力。

基于材料磁滯行為的矯頑力對(duì)材料顯微組織演變、材料損傷與應(yīng)力等具有高度敏感性和較強(qiáng)的抗干擾能力，主要應(yīng)用于鐵磁性分析試樣中，尤其對(duì)存在嚴(yán)重老化或應(yīng)力敏感區(qū)材料的篩查。測(cè)量矯頑力的方法快速、方便，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，通過(guò)更換CMP-10/30兩種不同規(guī)格的探頭，可滿足最大壁厚或厚度為30 mm的鋼管或鋼板等的測(cè)試要求。筆者采用MC-WF-04型磁滯無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)失效的T91鋼管進(jìn)行磁性矯頑力測(cè)量，結(jié)合顯微組織分析和維氏硬度試驗(yàn)，研究鋼管老化過(guò)程中材料矯頑力的變化規(guī)律。

1.3 金相檢驗(yàn)

分別對(duì)失效T91鋼管的爆口位置、距爆口100 mm位置(上端側(cè))、端部位置(上端側(cè))及定期檢驗(yàn)的T91割管試樣的橫截面進(jìn)行環(huán)向取樣，打磨拋光后采用Axiovert 200MAT型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析。

材料老化評(píng)級(jí)參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》，試樣的金相檢驗(yàn)結(jié)果表明：失效的T91鋼管材料均為回火馬氏體組織，鋼管向火面老化程度明顯高于背火面，其中爆口位置向火面老化級(jí)別達(dá)5.0級(jí)；管樣上端背火面老化級(jí)別僅為3.0級(jí)；在各個(gè)試樣的其他位置觀察到老化級(jí)別為4.5，4.0，3.5級(jí)；觀察定期檢驗(yàn)割管試樣，其材料為回火馬氏體組織，晶粒度與失效的T91鋼管晶粒度基本保持一致，材料老化級(jí)別為2.5級(jí)。T91鋼管在不同老化級(jí)別下的顯微組織形貌如圖2所示。

圖2 T91鋼管在不同老化級(jí)別下的顯微組織形貌

1.4 維氏硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》，采用Durascan-70型維氏硬度計(jì)對(duì)顯微組織老化級(jí)別為2.5～5.0級(jí)的鋼管位置進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。隨著鋼管老化級(jí)別逐漸增加，材料維氏硬度檢測(cè)結(jié)果逐漸遞減；當(dāng)老化級(jí)別接近4.0級(jí)時(shí)，維氏硬度接近DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》附錄C中的下限值；當(dāng)老化級(jí)別達(dá)4.5級(jí)時(shí)，維氏硬度明顯低于標(biāo)準(zhǔn)的下限值，力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯劣化。

1.5 矯頑力測(cè)量

采用MC-WF-04型磁滯無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)顯微組織老化級(jí)別為2.5～5.0級(jí)的鋼管位置進(jìn)行矯頑力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。對(duì)于老化級(jí)別為2.5～5.0級(jí)的鋼管位置，隨著鋼管老化級(jí)別逐漸增加，材料的矯頑力逐漸遞增。

表1 鋼管不同老化級(jí)別部位的矯頑力、維氏硬度的檢測(cè)結(jié)果

2 分析與討論

隨著鋼管試樣組織老化程度的加劇，硬度呈現(xiàn)為單調(diào)遞減的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。由于鋼管材料長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)行，碳化物沉淀相會(huì)逐漸析出、聚集和粗化，固溶體中合金元素的脫溶和貧化現(xiàn)象越嚴(yán)重，基體固溶度越弱，材料硬度越低[7-8]；當(dāng)鋼管老化程度接近4.0級(jí)時(shí)，硬度已不滿足DL/T 438—2016附錄C中的要求。

圖3 鋼管老化級(jí)別與矯頑力、維氏硬度之間的變化關(guān)系

隨著鋼管試樣老化級(jí)別的增加，矯頑力逐漸遞增(見(jiàn)圖3)。當(dāng)磁疇壁移動(dòng)受到阻力或疇壁內(nèi)磁矩改變受到阻力時(shí)，矯頑力都將受到影響[9]，隨著T91鋼的不斷老化，在老化過(guò)程中：① 晶粒內(nèi)溶質(zhì)元素逐漸析出，并向晶界聚集，其晶格格點(diǎn)被雜質(zhì)、空穴、異類原子(置換式或間歇式)所占領(lǐng)或同類原子的排布不同都可被看成點(diǎn)缺陷，由于點(diǎn)缺陷的數(shù)量多，且分布相對(duì)均勻，其對(duì)疇壁的相互作用力將被抵消，對(duì)于疇壁移動(dòng)的釘扎作用不明顯；② 碳化物粗化并與鐵、鉻、鉬、釩等元素形成碳化物，在高溫環(huán)境下，晶界、亞晶界以及板條界上形成細(xì)小Laves相，晶界碳化物空間為一種面缺陷，會(huì)形成較大作用范圍的釘扎中心，Laves相對(duì)晶界的釘扎都將約束疇壁的自由移動(dòng)，最終使得材料矯頑力測(cè)量值逐漸增加[9-11]。結(jié)合維氏硬度與矯頑力的擬合曲線可知，當(dāng)鋼管試樣硬度下降至標(biāo)準(zhǔn)下限值185 HV時(shí)，其對(duì)應(yīng)的矯頑力為9.6 A/cm。

DL/T 438—2016規(guī)定，在電廠過(guò)熱器和再熱器管檢驗(yàn)監(jiān)督的過(guò)程中，當(dāng)材料為T91的鋼管組織老化級(jí)別為5級(jí)時(shí)，應(yīng)割管進(jìn)行材料評(píng)定和壽命評(píng)估工作。鋼管老化級(jí)別與矯頑力的關(guān)系如圖4所示，老化級(jí)別A與矯頑力測(cè)量值Hc之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示。

圖4 鋼管老化級(jí)別與矯頑力的關(guān)系

A=0.67Hc-2.53(1)

由于鋼管老化級(jí)別與服役時(shí)間的關(guān)系未知，且高鉻馬氏體耐熱鋼的高溫加速老化試驗(yàn)復(fù)雜(通常包括高溫加速組織老化與較低溫下Laves相的析出)，因而較難用單一工況下的服役時(shí)間表達(dá)其老化級(jí)別變化情況。結(jié)合鋼管定期檢驗(yàn)周期間隔時(shí)長(zhǎng)ΔT、矯頑力變化量ΔHc及鋼管的累積運(yùn)行時(shí)間T，并根據(jù)矯頑力與老化級(jí)數(shù)關(guān)系系數(shù)0.67，可推導(dǎo)出鋼管距離嚴(yán)重老化(5級(jí))的動(dòng)態(tài)剩余時(shí)間TR的函數(shù)關(guān)系，如式(2)所示。

3 結(jié)語(yǔ)

材料在老化過(guò)程中，硬度與矯頑力表現(xiàn)為單調(diào)遞減或遞增的變化關(guān)系。通過(guò)定期檢驗(yàn)鋼管矯頑力的變化情況，工作人員可動(dòng)態(tài)評(píng)估鋼管在當(dāng)前服役工況下的持久壽命衰減情況，了解材料嚴(yán)重老化的剩余時(shí)間，防止因材料老化失效導(dǎo)致的事故發(fā)生，該檢測(cè)方法方便快捷，具有較大的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用空間。