火電廠在役機(jī)組WC9鑄鋼安全閥質(zhì)量評(píng)估與性能分析

李戈，朱海寶，喬立捷，陳卓婷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

在某電廠的一次特種設(shè)備檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)該電廠1臺(tái)機(jī)組的主蒸汽安全閥存在金相組織異常，機(jī)組已運(yùn)行近3萬(wàn)h，影響機(jī)組的安全運(yùn)行可靠性。

對(duì)于在役機(jī)組來(lái)說，在非破壞性試驗(yàn)的前提下，現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)手段較為有限，質(zhì)量評(píng)估有一定的難度。下面將結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，參考相關(guān)文獻(xiàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)硬度、金相等檢驗(yàn)、檢測(cè)手段逐步展開討論與分析，最終形成較為可靠的結(jié)論與建議。

1 基本情況

1.1 安全閥基本信息

該火電廠主蒸汽管道共有2個(gè)安全閥，分別為高溫過熱器出口(以下簡(jiǎn)稱高過出)1閥、高過出2閥，其中高過出1閥為手動(dòng)閥，位于介質(zhì)流向前側(cè)，高過出2閥為電動(dòng)閥，位于介質(zhì)流向后側(cè)，2個(gè)安全閥的材質(zhì)均為WC9，規(guī)格均為DN350，工質(zhì)參數(shù)相同，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

1.2 安全閥標(biāo)準(zhǔn)要求

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5263—2005 《電站閥門鑄鋼件技術(shù)條件》(以下簡(jiǎn)稱JB/T 5263—2005)中關(guān)于WC9材質(zhì)鑄鋼件的標(biāo)準(zhǔn)要求涉及化學(xué)成分、力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、屈服率、延伸率)及熱處理制度，并未對(duì)硬度、金相組織進(jìn)行明確要求[1]，非等效采用ASTM A217/A217M—2014 《高溫承壓件馬氏體不銹鋼和合金鋼鑄件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱ASTM A217/A217M—2014)，同時(shí)ASTM A217/A217M—2014中補(bǔ)充要求中提出硬度試驗(yàn)、金相組織檢驗(yàn)等其他規(guī)定試驗(yàn)可以由制造商和用戶在訂單中雙方協(xié)定[2]，經(jīng)查詢，未見該電廠與供貨廠家相關(guān)技術(shù)協(xié)議。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的可行性與要求

由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)手段的局限性，無(wú)法對(duì)安全閥進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，根據(jù)以往鍋爐定檢情況，結(jié)合此次檢修主要對(duì)這2個(gè)閥體進(jìn)行了外觀、表面探傷、硬度及金相組織的檢驗(yàn)，其中表面質(zhì)量應(yīng)符合JB/T 7927—1999 《閥門鑄鋼件外觀質(zhì)量要求》(以下簡(jiǎn)稱JB/T 7927—1999)標(biāo)準(zhǔn)要求，磁粉探傷應(yīng)符合JB/T 6439—2008 《閥門受壓件磁粉檢測(cè)》(以下簡(jiǎn)稱JB/T 6439—2008)標(biāo)準(zhǔn)要求。

陸文斌、陳潤(rùn)福等在文獻(xiàn)[3]中提到：利用金相分析方法，從顯微組織可以推測(cè)熱處理工藝狀態(tài)、熱處理質(zhì)量，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)鑄鋼件可能存在的鑄造缺陷或不足，從而找到部件失效的原因，在實(shí)際生產(chǎn)中，運(yùn)用力學(xué)性能檢測(cè)和金相分析法，可起到控制閥門鑄鋼件質(zhì)量的目的。

標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5263—2005或ASTM A217/A217M—2014中牌號(hào)WC9和JB/T 10087—2001 《汽輪機(jī)承壓鑄鋼件技術(shù)條件》(以下簡(jiǎn)稱JB/T 10087—2001)中牌號(hào)ZG15Cr2Mo1的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)基本一致，且DL/T 715—2015 《火力發(fā)電廠金屬材料選用導(dǎo)則》(以下簡(jiǎn)稱DL/T 715—2015)中規(guī)定牌號(hào)ZG15Cr2Mo1與WC9為相近牌號(hào)[4]，故WC9材質(zhì)的硬度試驗(yàn)可以參考DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱DL/T 438—2016)中ZG15Cr2Mo1的硬度范圍(140～220 HBW)要求進(jìn)行檢驗(yàn)[5]，金相組織的球化評(píng)定可以參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T 999—2006 《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱DL/T 999—2006)進(jìn)行組織評(píng)定[6]。

2.2 表面質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述2個(gè)閥體外表面進(jìn)行外觀檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、毛刺、夾砂及尖銳劃痕等超標(biāo)缺陷，表面質(zhì)量符合JB/T 7927—1999標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)閥體外表面進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)磁痕顯示，符合JB/T 6439—2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 理化檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述2個(gè)閥體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)硬度、金相組織檢驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)硬度、組織檢驗(yàn)部位如圖2所示，硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

檢測(cè)部位硬度(HBW)備注1(高過出1閥肩部)1702(高過出1閥肩部)1793(高過出1閥腹部)1494(高過出1閥腹部)1445(高過出2閥肩部)1406(高過出2閥肩部)1297(高過出2閥腹部)1258(高過出2閥腹部)146參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T438—2016中ZG15Cr2Mo1的硬度范圍(140～220HBW)

由上表可知，高過出1閥整體硬度均在140～220 HBW范圍內(nèi)，而高過出2閥整體硬度均略低于標(biāo)準(zhǔn)下限。選取2個(gè)閥體的腹部(圖2中硬度相對(duì)較低部位3，7點(diǎn))進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，其中高過出1閥金相組織如圖3、圖4所示，高過出2閥金相組織如圖5、圖6所示，參照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 999—2006進(jìn)行組織的球化評(píng)定，評(píng)定結(jié)果見表2。

由圖3—6和表2可知，高過出1閥體金相組織為正常的鐵素體+貝氏體組織，球化級(jí)別約2～3級(jí)，高過出2閥體金相組織為異常的鐵素體+貝氏體組織，球化級(jí)別約2～3級(jí)。對(duì)比2個(gè)閥體的金相組織可以看出，2個(gè)閥體的金相組織球化級(jí)別并不嚴(yán)重，但是高過出2閥的晶粒較1閥明顯粗大，且2閥的組織為異常的鐵素體+貝氏體組織，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8493—1987 《一般工程用鑄造碳鋼金相》(以下簡(jiǎn)稱GB/T 8493—1987)推測(cè)該組織應(yīng)該為殘余鑄態(tài)組織[7]?？梢?，高過出2閥金相組織晶粒粗大和存在殘留鑄態(tài)組織是其硬度較低的主要原因。

圖3 高過出1閥金相組織(200×)Fig.3 Metallographic structure of No.1 valve at outlet of high-temperature superheater(200×)

圖4 高過出1閥金相組織(400×)Fig.4 Metallographic structure of No.1 valve at outlet of high-temperature superheater(400×)

圖5 高過出2閥金相組織(200×)Fig.5 Metallographic structure of No.2 valve at outlet of high-temperature superheater(200×)

圖6 高過出2閥金相組織(400×)Fig.6 Metallographic structure of No.2 valve at outlet of high-temperature superheater(400×)

3 結(jié)果討論與原因分析

上文提到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)WC9材質(zhì)做硬度、金相組織方面的質(zhì)量要求，但通過現(xiàn)場(chǎng)硬度、金相組織檢驗(yàn)可以看出2個(gè)安全閥之間存在較大的差異，下面針對(duì)高過出2閥硬度偏低、晶粒粗大、殘留鑄態(tài)組織等問題進(jìn)行討論并分析，并做進(jìn)一步評(píng)估。

3.1 晶粒粗大、殘留鑄態(tài)組織的成因及影響

王榮在文獻(xiàn)[8]中提到鑄件晶粒粗大在本質(zhì)上屬于冶金缺陷，主要與鑄件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)、澆冒口系統(tǒng)、型砂、制芯、造型、化學(xué)成分、熔化工藝、澆鑄、熱處理不當(dāng)、機(jī)械加工不當(dāng)?shù)缺姸嘁蛩赜嘘P(guān)。

表2 安全閥閥體金相組織結(jié)果Tab.2 Test results of the safety valve metallographic structure

2個(gè)安全閥的結(jié)構(gòu)、工藝、流程、材質(zhì)、機(jī)加等完全相同，主要差異體現(xiàn)在性能與金相組織上，因此推測(cè)閥體鑄造過程中熱處理可能存在較大差異。

GB/T 8493—1987中規(guī)定了正常的正火組織對(duì)應(yīng)的熱處理溫度為AC3+(50～150 ℃)，此時(shí)組織為等軸狀的鐵素體+珠光體，而非正常組織有2種，即低于正常正火溫度(AC1～AC3)形成的鐵素體+珠光體+殘留鑄態(tài)組織和高于正常正火溫度(AC1+150 ℃以上)形成的鐵素體+珠光體+魏氏組織(組織粗化)。本次現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，高過出2閥的金相組織應(yīng)為鐵素體+珠光體+殘留鑄態(tài)組織，推測(cè)該閥體熱處理正火溫度應(yīng)處于AC1～AC3區(qū)間。

ASTM A217/A217M—2014中規(guī)定牌號(hào)WC9供貨態(tài)熱處理制度為正火加回火，最低回火溫度應(yīng)為675 ℃，且鑄件的熱處理應(yīng)在鑄件溫度冷卻到相變區(qū)域以下進(jìn)行。但如果加熱溫度不到AC3相變線以上，或保溫時(shí)間不足，碳化物未能充分溶解于奧氏體中，冷卻后金相分析，其顯微組織是殘留鑄態(tài)枝晶組織，晶粒度粗大到無(wú)法評(píng)級(jí)，力學(xué)性能大大低于技術(shù)指標(biāo)。

3.2 鑄鋼件力學(xué)性能與金相組織的關(guān)系

鑄件進(jìn)行金相分析可以監(jiān)控閥體制造過程的內(nèi)在質(zhì)量，了解特殊工序工藝執(zhí)行狀況。在鑄鋼件金相分析實(shí)踐中，如出現(xiàn)組織評(píng)定不合格，但鑄件的力學(xué)性能卻是合格的，只要合同里沒有明確規(guī)定鑄件金相組織級(jí)別的，習(xí)慣上還是以力學(xué)性能指標(biāo)合格為準(zhǔn)。比如，雙相不銹鋼中鐵素體含量偏高(不超出上限)引起晶粒粗大，但力學(xué)性能合格的，在不影響耐腐蝕性情況下，也可以接受。

JB/T 5263—2005和ASTM A217/A217M—2014均未對(duì)牌號(hào)WC9做硬度、金相組織的要求，且未見業(yè)主與供應(yīng)商之間的相關(guān)技術(shù)協(xié)議規(guī)定，那么此次該電廠2臺(tái)安全閥的現(xiàn)場(chǎng)硬度、金相組織檢驗(yàn)結(jié)果僅供參考，不能作為最終結(jié)果評(píng)判依據(jù)，但是參考同類鑄鋼件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以推測(cè)2個(gè)閥體的性能狀況，其中高過出1閥性能優(yōu)于高過出2閥，高過出2閥金相組織明顯異常。

4 結(jié)論和建議

對(duì)該電廠2個(gè)安全閥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)，經(jīng)過分析得出以下結(jié)論。

(1)高過出1閥的硬度正常，金相組織正常，為鐵素體+貝氏體，球化2～3級(jí)；高過出2閥的硬度明顯偏低，金相組織為鐵素體+貝氏體+殘留的鑄態(tài)組織，且晶粒明顯粗大。

(2)晶粒粗大和存在殘留鑄態(tài)組織是造成高過出2閥硬度偏低的主要原因，而造成組織異常的原因應(yīng)該是熱處理制度不當(dāng)造成的。

(3)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)檢測(cè)不僅可以較為真實(shí)地反映閥體的熱處理制度，還可以為我們提供進(jìn)一步質(zhì)量評(píng)估和性能分析的判據(jù)。

根據(jù)上述結(jié)論，提出如下建議。

(1)針對(duì)高過出2閥，加強(qiáng)監(jiān)督檢驗(yàn)，跟蹤其硬度、組織變化趨勢(shì)，當(dāng)硬度下降明顯時(shí)，應(yīng)在其失效前給予及時(shí)更換。

(2)加強(qiáng)WC9鑄鋼件制造過程的質(zhì)量監(jiān)督與控制，尤其是熱處理工藝和熱處理制度的監(jiān)督，防止在原始供貨態(tài)就出現(xiàn)組織異常的問題。

(3)針對(duì)WC9鑄鋼件，電廠與供貨廠家應(yīng)對(duì)其硬度和金相組織進(jìn)行協(xié)商規(guī)定，并列入技術(shù)協(xié)議中，作為標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)與補(bǔ)充。