在役超臨界機(jī)組P91材質(zhì)主蒸汽管道失效分析

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(1.福州大學(xué) 石油化工學(xué)院， 福建 福州 350116；2.福建工程學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院； b.機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118；3.泉州師范學(xué)院， 福建 泉州 362000；4.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 福建 福州 350007)

經(jīng)驗(yàn)交流

在役超臨界機(jī)組P91材質(zhì)主蒸汽管道失效分析

龔凌諸1，2a，楊曉翔1，3，張經(jīng)偉1，韋鐵平2b，張朱武1，林海晴4

(1.福州大學(xué) 石油化工學(xué)院， 福建 福州 350116；2.福建工程學(xué)院 a.生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院； b.機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 福州 350118；3.泉州師范學(xué)院， 福建 泉州 362000；4.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司 電力科學(xué)研究院， 福建 福州 350007)

采用顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試等方法，對(duì)某火電廠服役時(shí)間約32 000 h的在役超臨界機(jī)組P91材質(zhì)主蒸汽管道彎頭焊接接頭進(jìn)行取樣分析研究。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間服役后，彎頭焊縫內(nèi)表面均出現(xiàn)裂紋，且裂紋均出現(xiàn)在焊縫與母材的交界處，呈環(huán)向開(kāi)裂。材料抗拉強(qiáng)度、硬度及沖擊功等各項(xiàng)力學(xué)性能雖滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但顯微組織發(fā)生了蠕變損傷。設(shè)備發(fā)生泄漏的主要原因，是由于焊接接頭處不同材料力學(xué)性能不同，進(jìn)而在高溫條件下發(fā)生蠕變變形，變形的不協(xié)調(diào)使得熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。

蒸汽管道； 焊接接頭； P91鋼； 熱影響區(qū)； 蠕變損傷； 失效分析

能源短缺、環(huán)境惡化問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，促進(jìn)了火力發(fā)電機(jī)組向更高參數(shù)發(fā)展，以提高裝置效益，達(dá)到節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的目的。相關(guān)研究表明，將蒸汽參數(shù)從18 MPa、530 ℃提高到30 MPa、600 ℃，可減少二氧化碳排放量約30%[1]。然而設(shè)備工藝參數(shù)的提高對(duì)設(shè)備材料的高溫性能要求更加嚴(yán)格。同時(shí)，設(shè)備的溫度、壓力和腐蝕環(huán)境更加嚴(yán)苛，導(dǎo)致設(shè)備失效的風(fēng)險(xiǎn)增大。大部分高溫設(shè)備失效斷裂形式是由蠕變變形累積引起的蠕變損傷與斷裂[2-5]。在高溫設(shè)備實(shí)際制造過(guò)程中，許多構(gòu)件通過(guò)焊接加工而成[6]，整個(gè)焊接接頭可看作是由母材、焊縫及熱影響區(qū)組成的多材料的非均勻結(jié)構(gòu)[7]。因而，焊接接頭在整個(gè)設(shè)備中處于薄弱區(qū)域。筆者對(duì)某火電廠已運(yùn)行32 000 h的在役超臨界機(jī)組P91材質(zhì)主蒸汽管道泄漏進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)焊接接頭材料進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試，給出了主蒸汽管道在高溫環(huán)境下失效的原因。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料取自某火電廠已運(yùn)行32 000 h后發(fā)生泄漏的主蒸汽管彎頭焊接接頭處。3個(gè)彎頭規(guī)格均為?419.1 mm×60 mm，材質(zhì)為SA335-P91，設(shè)計(jì)溫度576 ℃，設(shè)計(jì)壓力25.4 MPa，發(fā)生泄漏的區(qū)域在焊縫熱影響區(qū)。

送檢的3個(gè)彎頭分別標(biāo)記為W1、W2、W3，在彎頭取樣進(jìn)行分析，取樣位置見(jiàn)圖1。

圖1 試樣取樣位置及形貌示圖

為了考察管道長(zhǎng)期高溫服役后材料顯微組織的變化及材料各項(xiàng)力學(xué)性能是否滿足安全要求，分別對(duì)3組試樣進(jìn)行了金相觀察、拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試以及沖擊試驗(yàn)。其中，金相觀察試樣經(jīng)研磨、拋光以及4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液化學(xué)腐蝕后，在型號(hào)為Observer.A1m的光學(xué)金相顯微鏡下進(jìn)行金相觀察、拍照。拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[8]，在CMT5205型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。硬度測(cè)試應(yīng)按照GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[9]，在UH250型布洛維硬度計(jì)上進(jìn)行。對(duì)按GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[10]制作的V形缺口夏比試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1宏觀檢驗(yàn)

宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3個(gè)彎頭均未出現(xiàn)明顯的變形和脹粗，W1外表面出現(xiàn)1條長(zhǎng)約65 mm的裂紋，而W2、W3外表面未見(jiàn)明顯裂紋。但3個(gè)彎頭焊縫內(nèi)表面均出現(xiàn)裂紋，且裂紋均出現(xiàn)在焊縫與母材的交界處，呈環(huán)向開(kāi)裂，見(jiàn)圖2。

2.2顯微組織觀察

3個(gè)彎頭試樣焊縫熱影響區(qū)金相組織觀察結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，3個(gè)試樣裂紋均出現(xiàn)在熔合線處，且裂紋斷續(xù)并沿著晶界擴(kuò)展。裂紋前端分布許多小型孔洞，這些孔洞大多處在母材奧氏體晶粒的邊界處，屬于典型的蠕變裂紋擴(kuò)展形貌。

2.3力學(xué)性能測(cè)試

按美國(guó)ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅱ《材料A篇 鐵基材料》規(guī)定[11]，SA335-P91抗拉強(qiáng)度不小于585 MPa。按DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》[12]，P91材質(zhì)硬度值應(yīng)為HB 180～HB 270。按DL/T 868—2004《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》[13]，P91材質(zhì)沖擊功應(yīng)不小于27 J。從表1所列3個(gè)彎頭試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，P91材質(zhì)雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的蠕變，但試樣的力學(xué)性能仍滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 彎頭裂紋位置及表面形貌

圖3 3個(gè)彎頭試樣焊縫熱影響區(qū)金相組織(50×)

試樣編號(hào)抗拉強(qiáng)度Rm/MPa硬度值/HB沖擊功/J測(cè)量值平均值測(cè)量值平均值W1607269，268，27126948，53，5151W2599251，250，25125151，47，4548W3597256，251，25325352，49，5351

3 焊接接頭蠕變裂紋形成機(jī)理

有關(guān)研究表明[14，15]，蠕變裂紋起裂并非在裂尖，而是在離開(kāi)裂紋尖端一定距離處起裂，此距離與最大主應(yīng)力σ22max出現(xiàn)位置有關(guān)。同時(shí)，裂紋擴(kuò)展也并非連續(xù)的。首先，蠕變損傷在材料晶界上形成許多細(xì)小的孔洞，隨著蠕變時(shí)間的增加，這些小孔洞逐漸增大且在初始裂紋前端一定距離產(chǎn)生小裂紋。之后，在小裂紋前端產(chǎn)生滑移帶及新的小裂紋，第一個(gè)小裂紋與初始裂紋連接形成主裂紋，裂紋向前擴(kuò)展，如此循環(huán)往復(fù)，裂紋一段一段前進(jìn)擴(kuò)展。從3個(gè)試樣金相組織中發(fā)現(xiàn)的裂紋同樣是不連續(xù)擴(kuò)展，且主裂紋前段有許多小裂紋及蠕變孔洞。3個(gè)試樣裂紋均出現(xiàn)在焊縫熔合線處，這主要是由于熱影響區(qū)的強(qiáng)度相比母材和焊縫的較低，在蠕變條件下比母材和焊縫易產(chǎn)生較大的蠕變變形。由于受到周圍母材和焊縫材料蠕變變形的相互限制，使得熱影響區(qū)產(chǎn)生高的應(yīng)力三軸度(σm/σe)和較復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。高的應(yīng)力三軸度容易產(chǎn)生蠕變孔洞，因而在熱影響區(qū)內(nèi)會(huì)形成大量的孔洞，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的蠕變，孔洞逐漸長(zhǎng)大且相互連接形成微裂紋，最終在熱影響區(qū)域與母材的界面處形成裂紋，使得設(shè)備發(fā)生泄漏。

綜上分析，設(shè)備發(fā)生泄漏的主要原因是由于焊接接頭處不同材料在高溫條件下發(fā)生蠕變變形，材料之間的變形不協(xié)調(diào)使得焊接接頭處容易產(chǎn)生高的應(yīng)力，進(jìn)而容易形成裂紋。

預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)蠕變斷裂失效的主要思路是在使用條件下保證材料具有較好的高溫性能，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、改善冶煉工藝、控制加工工藝、防止過(guò)熱、強(qiáng)化表面以及及時(shí)消除各種缺陷等方面考慮，采取的改善措施應(yīng)能降低、控制蠕變的速度和提高蠕變極限與持久強(qiáng)度。

4 結(jié)論

(1)P91材質(zhì)管道彎頭經(jīng)過(guò)32 000 h服役后，硬度、拉伸和沖擊性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明受檢彎頭焊接接頭無(wú)明顯的質(zhì)量問(wèn)題。

(2)宏觀檢驗(yàn)及金相組織檢驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋起源于焊縫內(nèi)表面熔合線處，環(huán)向開(kāi)裂是由于彎管內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)以環(huán)向拉應(yīng)力為主，同時(shí)焊接接頭處不同的材料性能使得產(chǎn)生高的應(yīng)力三軸度，容易在材料內(nèi)部形成微孔洞，最終導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，使管道發(fā)生泄漏。

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(張編)

FailureAnalysisofP91SteelMainSteamPipeofSupercriticalUnitinService

GONGLing-zhu1,2a,YANGXiao-xiang1,3,ZHANGJing-wei1,WEITie-ping2b,ZHANGZhu-wu1,LINHai-qing4

(1.School of Chemical Engineering， Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China； 2.Fujian University of Technology，a. College of Ecological Environment and Urban Construction， b.College of Mechanical and Vehicle Engineering，F(xiàn)uzhou 350118，China； 3.Quanzhou Normal University，Quanzhou 362000，China； 4.State Grid Electric Power Research Institute Fujian Electric Power Co. Ltd.， Fuzhou 350007，China)

The microstructure observation and mechanical property test were used to analyze welded joints of main steam pipe elbow(P91 steel) after about 32 000 h in service from a supercritical unit in a thermal power plant. The results show that circumferential cracks were found at junction between weld and base metal on the inner surface of the elbow after a long period of service. The mechanical properties such as tensile strength，hardness and impact energy of main steam pipe material met the requirements of relevant standards，but the microstructure had creep damage. The main reason for equipment leakage was due to different mechanical properties of welded joints with different materials，and then the pipe initiated creep deformation under high temperature leading to heat affected zone cracking.

steam pipe； welded joints； P91 steel； heat affected zone； creep damage； failure analysis

TQ055.8； TE973

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.012

1000-7466(2017)02-0055-04

2016-10-03

福建工程學(xué)院科研基金項(xiàng)目“電站鍋爐安全等級(jí)評(píng)定關(guān)鍵技術(shù)研究”(GY-Z14078)

龔凌諸(1969-)，男，福建福安人，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事石油化工設(shè)備失效分析和承壓特種設(shè)備壽命評(píng)估等研究工作。