超高壓蒸汽管道剩余壽命評(píng)估

許其華

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

超高壓蒸汽管道為石油化工企業(yè)的高溫部件之一，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于金屬組織變化和蠕變的發(fā)展，其組織和性能會(huì)逐漸“劣化”，影響整個(gè)裝置的安全運(yùn)行。某石化公司烯烴裝置開工鍋爐超高壓蒸汽管道已服役28年，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間已超過200 000 h，管道的材質(zhì)為STPA23，規(guī)格為?273 mm×28 mm，操作壓力11.9 MPa，操作溫度520 ℃。隨著高溫服役時(shí)間的不斷增加，管道材料面臨材質(zhì)劣化的問題，對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。通過對(duì)該蒸汽管道的取樣分析和試驗(yàn)研究，判斷其材質(zhì)損傷程度，并對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

對(duì)管道材料進(jìn)行了取樣，主要做了材料化學(xué)成分分析、材料常溫和高溫性能試驗(yàn)、材料蠕變性能試驗(yàn)、材料金相組織分析以及材料的高溫持久性能試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果采用外推法核算材料的剩余壽命。

1 化學(xué)成分分析和拉伸試驗(yàn)

對(duì)蒸汽管道母材取樣，分析其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，結(jié)果見表1。元素化學(xué)成分基本符合JIS G 3458—2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)STPA23的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，分別在室溫和520 ℃下進(jìn)行了管線材料的拉伸試驗(yàn),測(cè)試設(shè)備為INSTRON-8032型電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2中可以看出：室溫下材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均滿足JIS G 3458—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。520 ℃時(shí)的拉伸性能與室溫時(shí)相比，屈服強(qiáng)度(Rm)和抗拉強(qiáng)度(Rp0.2)下降較多，而斷后伸長(zhǎng)率(A)和斷面收縮率(Z)有所提高。這種變化基本符合規(guī)律，一般來說隨著溫度的升高，材料軟化，強(qiáng)度下降，而相應(yīng)的塑性增加。因此，材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果說明該蒸汽管道材料經(jīng)過長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后材料的拉伸性能指標(biāo)仍基本滿足使用要求。

表2 室溫及520 ℃短時(shí)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2 沖擊試驗(yàn)

材料STPA23屬于常用的珠光體耐熱鋼(1.25Cr-0.5Mo)，其使用溫度可達(dá)500～550 ℃。而Cr-Mo鋼長(zhǎng)期在520 ℃下運(yùn)行，必然會(huì)帶來珠光體球化等材質(zhì)損傷問題，影響材料的機(jī)械性能，危及管道的安全運(yùn)行。沖擊試驗(yàn)可以用來判定材料服役后是否發(fā)生了脆化并確定具體的脆化程度。一般選取不同溫度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做溫度-沖擊功圖和溫度-斷口纖維斷面率圖，在圖中得到54 J沖擊功對(duì)應(yīng)溫度值(VTr5)、纖維斷面率為50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的等溫脆性轉(zhuǎn)變溫度(FATT)等關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)這些指標(biāo)就可以掌握材料使用前后韌脆性轉(zhuǎn)變溫度變化情況及脆化程度。沖擊試驗(yàn)按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。圖1～2為相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度曲線和斷口纖維斷面率曲線。根據(jù)圖1和圖2可以得到取樣蒸汽管道材料母材的沖擊性能指標(biāo)(見表3)。

圖1 母材轉(zhuǎn)變溫度曲線

圖2 母材斷口纖維斷面率曲線

表3 取樣材料沖擊性能指標(biāo) ℃

從圖1～2和表3中可以看到：

(1)蒸汽管道材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，尤其是FATT值較高；母材的FATT為45 ℃，說明該蒸汽管道經(jīng)過長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后材料已明顯變脆。

(2)材料的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度升高到室溫以上，會(huì)增加蒸汽管道在開停工時(shí)發(fā)生脆性開裂的危險(xiǎn)，所以在裝置開停工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢查，在停車檢修時(shí)應(yīng)注意避免管道遭受撞擊和錘擊等沖擊載荷。

3 金相組織檢查

長(zhǎng)期服役后管道材料的機(jī)械性能取決于材料的化學(xué)成分、組織、溫度以及應(yīng)力的變化。一方面，服役過程中的各種因素?fù)p傷都將在微觀組織上顯示，微觀組織結(jié)構(gòu)的變化反映了材料損傷的程度；另一方面，微觀組織又決定了材料的機(jī)械性能。因此，金相組織檢查的目的是考察長(zhǎng)期高溫服役后材料的顯微組織的變化情況，檢查碳化物的析出和球化情況，并檢查是否有蠕變空洞甚至微裂紋的存在。

材料的金相組織如圖3(放大500倍)所示。由圖3可知：母材組織為鐵素體+珠光體+碳化物，鐵素體晶體內(nèi)有大量彌散碳化物析出，珠光體區(qū)域內(nèi)的碳化物已顯著分散，碳化物已全部成小球狀，珠光體區(qū)域形態(tài)仍然保持，珠光體球化程度為中度球化。未發(fā)現(xiàn)金相組織存在明顯的蠕變空洞。

(a)近內(nèi)壁

對(duì)取樣材料截面進(jìn)行了硬度測(cè)試，中部區(qū)域硬度值為HB100左右，靠近外表面和內(nèi)表面部分硬度值為HB90左右，材料硬度值偏低，是材料球化損傷所致。

4 高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)取樣材料進(jìn)行520 ℃高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)，取得了一系列在高溫下的材料應(yīng)力值與斷裂時(shí)間的相關(guān)值(見表4)，更加準(zhǔn)確、客觀地反映了材料在高溫環(huán)境下的相關(guān)性能劣化與使用時(shí)間的相關(guān)性。這說明材料的高溫?fù)p傷中服役溫度和時(shí)間是正相關(guān)的。

表4 高溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

將表4的數(shù)據(jù)繪制到雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，采用等溫線法繪制擬合曲線，擬合所得的方程為：

σ520=182.28t-0.055

式中，t為持久時(shí)間。

擬合所得的曲線如圖4所示。

圖4 以等溫線法表示的持久強(qiáng)度曲線

用這種方法外推得到材料的高溫持久強(qiáng)度見表5。

表5 材料的高溫持久強(qiáng)度

由表5可見：該材料520 ℃的高溫持久強(qiáng)度σ520(105)為97 MPa。

剩余壽命估算按照DL/T 940—2005《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》中式(7)進(jìn)行：

5 結(jié)論

(1)化學(xué)成分分析表明，超高壓蒸汽管道材料牌號(hào)為STPA23，而常溫和高溫(520 ℃)拉伸試驗(yàn)結(jié)果說明高溫服役200 000 h后，材料常溫強(qiáng)度指標(biāo)及相關(guān)塑性指標(biāo)仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)沖擊試驗(yàn)表明，管道材料經(jīng)長(zhǎng)期高溫服役后已明顯變脆，母材的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度已升高到室溫以上(FATT為45 ℃)，說明材料脆化較嚴(yán)重。

(3)金相組織檢查表明，母材組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體球化程度為中度球化，未發(fā)現(xiàn)金相組織存在明顯的蠕變空洞。

(4)根據(jù)蒸汽管道材料的520 ℃持久強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由等溫線外推法估算的超高壓蒸汽管道剩余壽命為41 000 h。

(5)由于超溫會(huì)嚴(yán)重降低高溫管線的安全使用壽命，應(yīng)保證此類超高壓蒸汽管道在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，且要加強(qiáng)對(duì)此類超高壓蒸汽管道焊縫及管件組織的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)工作，重點(diǎn)為變徑管小端焊縫和三通支管焊縫；其次為變徑管母體及大端焊縫、三通母體等，對(duì)達(dá)到嚴(yán)重球化的焊縫和管件進(jìn)行監(jiān)控使用并擇機(jī)更換。

(6)此類超高壓蒸汽管道經(jīng)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后材質(zhì)受到損傷，如強(qiáng)度下降、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度升高、碳化物析出與球化等，目前損傷程度尚未嚴(yán)重到影響超高壓蒸汽管道的安全運(yùn)行。但嚴(yán)禁出現(xiàn)管道超溫超壓現(xiàn)象，并建議開停工期間嚴(yán)格控制升溫升壓、降溫降壓速度，避免此類管道承受沖擊載荷。