火力發(fā)電廠在役P91鋼持久性能的快速評價技術(shù)

杜晉峰，蔡文河，王 斌，梁 軍，董樹青，王智春，孫 標

(1.神華國華(北京)電力研究院有限公司，北京 100025；2.大唐火力發(fā)電技術(shù)研究院，北京 100040；3.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100045)

0 引 言

電力行業(yè)有大量的承壓部件長期在高溫高壓環(huán)境中工作，這種惡劣的服役工況加速了材料組織的老化和性能的下降。因此，對服役期內(nèi)材料組織及性能進行分析和評價是確保機組安全可靠運行的關(guān)鍵[1-4]。電力行業(yè)DL/T 438-2016標準明確要求在機組檢修時應(yīng)對高溫高壓部件材料進行組織及性能檢驗，評價材料的性能及狀態(tài)[5]。近年來，現(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)，亞臨界及以上參數(shù)火電機組主蒸汽、再熱蒸汽管道(P91鋼)等高溫承壓部件經(jīng)常出現(xiàn)局部硬度低于DL/T 438-2016標準要求(180～250 HB)的現(xiàn)象；這對發(fā)電機組的安全運行造成了一定風(fēng)險，因此急需對部件材料的服役性能進行評價。割管取樣進行硬度、拉伸、沖擊和高溫持久試驗是常用的評價方法。但是對于大厚壁高溫承壓管道，割管取樣將破壞管道系統(tǒng)的完整性，其所受應(yīng)力也會隨之發(fā)生變化，并且在修復(fù)管道時又會面臨現(xiàn)場焊接質(zhì)量不易控制等問題，因此對大厚壁部件采用破壞性取樣試驗進行評價需慎之又慎[6-10]。硬度測試是評價火力發(fā)電機組主蒸汽、再熱蒸汽管道等大厚壁部件力學(xué)性能的常用方法，若能建立起硬度與持久性能的關(guān)系，則通過現(xiàn)場硬度檢測，就能快速獲得部件材料在服役狀態(tài)下的持久性能，從而在不破壞部件完整性的條件下實現(xiàn)對部件服役壽命的評價及預(yù)測。

為此，作者在服役5.6萬h的超臨界火力發(fā)電機組主蒸汽管道和高溫聯(lián)箱管段(P91鋼)上取樣，測試得到服役狀態(tài)下P91鋼試樣的硬度、拉伸和短時持久性能，建立了不同硬度下持久強度-持久斷裂時間的關(guān)系式。該關(guān)系式的建立，有望通過短時持久試驗快速得到不同硬度P91鋼的持久強度曲線，從而通過現(xiàn)場硬度測定實現(xiàn)P91鋼持久性能的快速獲取，為電站P91鋼部件延壽及使用提供技術(shù)支撐。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試樣取自某電廠服役5.6萬h的超臨界火力發(fā)電機組主蒸汽管道和高溫聯(lián)箱管段，材料均為P91鋼，服役溫度為560 ℃。采用D型便攜式里氏硬度計對割取管段進行非破壞性硬度測試，發(fā)現(xiàn)同一管段的環(huán)向硬度差異不大，軸向硬度存在一定差異。因此，截取厚度在220250 mm、硬度分布均勻的圓環(huán)試樣，圓環(huán)各位置硬度相差很小。不同圓環(huán)試樣的硬度見表1，其中試樣16不滿足DL/T 438-2016規(guī)定的硬度指標要求(≥180 HB)，試樣7～12滿足硬度要求。

為了更精確測定圓環(huán)試樣硬度，使用HBRV-187.5型硬度計再次檢測不同試樣(表1中12個試樣)的硬度。采用合金鋼球，直徑為2.5 mm，載荷為1 837.5 N，載荷保持時間為10 s，測3個位置取平均值，布氏硬度測定結(jié)果見表2。

表1 里氏硬度計測試得到不同圓環(huán)試樣的硬度Table 1 Hardness of different annulus samples by Leeb hardness tester HB

表2 布氏硬度計測試得到不同圓環(huán)試樣的硬度Table 2 Hardness of different annulus samples by Brinell hardness tester HB

由表1和表2對比可知，采用里氏硬度計測得的硬度比采用布氏硬度計測得的小，且誤差范圍較大，在10～20 HB以內(nèi)。測試原理表明，以恒定載荷為試驗力的布氏硬度計較以沖擊載荷為試驗力的里氏硬度計的測量結(jié)果更準確可靠，因此后文除非特指，硬度均為布氏硬度計測得的數(shù)值。

采用斯派克LMX07型直讀光譜儀對布氏硬度平均值分別為160，180，200 HB的圓環(huán)試樣進行化學(xué)成分檢測。由表3可知，不同硬度試樣的化學(xué)成分均符合ASME SA-335標準對P91鋼化學(xué)成分的規(guī)定。

表3 不同硬度試樣的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of samples with different hardness

在布氏硬度平均值分別為160，200 HB的圓環(huán)試樣上取金相試樣，經(jīng)磨拋和體積分數(shù)3%的FeCl3溶液腐蝕后，在ZEISS AX10 Olympus型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。由圖1可見：硬度為200 HB試樣的顯微組織為典型的板條狀回火馬氏體，與ASME SA-335標準中P91鋼的組織一致；而硬度為160 HB試樣的顯微組織為回火馬氏體加少量鐵素體，馬氏體位相有所消退。

圖1 不同硬度試樣的顯微組織Fig.1 Microstructures of samples with different hardness

1.2 試驗方法

受不同硬度圓環(huán)試樣數(shù)量限制，僅對部分試樣進行了室溫、高溫拉伸試驗和高溫持久試驗。分別按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015，采用MTS-880型電液伺服試驗機進行室溫和高溫拉伸試驗以確定屈服強度，引伸計精度為±0.5%，拉伸速度為2 mm·min-1。高溫拉伸時使用試驗機附屬管式加熱爐進行加熱，采用雙熱電偶測控爐膛溫度和試樣溫度，試驗溫度分別控制在540，560 ℃。拉伸試樣取樣位置和尺寸見圖2，每組拉伸試驗的試樣數(shù)量為35個。

圖2 拉伸試樣取樣位置和尺寸Fig.2 Sampling position (a) and size (b) of tensile specimen

根據(jù)GB/T 2039-2012，采用RMT-D3型持久試驗機分別在540，560 ℃下進行持久試驗，施加的應(yīng)力幅分別為60240 MPa，負荷精度為±1%，蠕變變形測試精度為0.001 mm，控溫精度為±3 ℃，試驗時間為1×104h。持久試樣取樣位置和尺寸見圖3，每組持久試驗的試樣數(shù)量為35個。

圖3 持久試樣取樣位置及尺寸Fig.3 Sampling position (a) and size (b) of stress-rupture specimen

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 屈服強度和硬度的關(guān)系

由圖4可知：隨著硬度的下降，試樣的室溫(20 ℃)和高溫(540，560 ℃)屈服強度均下降；當(dāng)硬度低于180 HB時，屈服強度下降速度明顯加快；不同溫度下試樣的屈服強度-硬度曲線近似平行。

圖4 試樣在不同溫度下的屈服強度隨硬度的變化曲線Fig.4 Yield strength at different temperatures vs hardness curves of specimens

2.2 持久強度和硬度的關(guān)系

由圖5可知：隨著硬度的下降，試樣在不同溫度下的持久強度均呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)硬度低于180 HB時，持久強度下降速度明顯加快；溫度越低，相同硬度試樣的持久強度越低；試樣的高溫持久強度-硬度曲線近似平行。持久強度隨硬度和溫度的變化規(guī)律與屈服強度的變化規(guī)律一致。低硬度不僅會造成材料拉伸性能的下降，也會造成其持久強度的惡化。對于在560 ℃服役5萬h的P91鋼，當(dāng)硬度滿足標準要求，即不低于180 HB時，其屈服強度和持久強度隨硬度減小的下降速度相對緩慢；但是當(dāng)硬度降低至不滿足標準要求，即180 HB以下時，屈服強度和持久強度隨硬度減小快速降低。

圖5 170 MPa應(yīng)力下試樣的高溫持久強度隨硬度的變化曲線Fig.5 Stress-rupture strength at elevate temperature vs hardnss curves of specimens under stress of 170 MPa

由圖6可知：硬度為167 HB和206 HB試樣在560 ℃、不同應(yīng)力幅(60～240 MPa)下的持久強度與斷裂時間在對數(shù)坐標中呈線性相關(guān)，擬合直線的相關(guān)系數(shù)R為0.99，直線斜率K分別為-0.092，-0.090；硬度為160 HB和180 HB試樣在不同溫度(540，560 ℃)、不同應(yīng)力幅(70～240 MPa)下的持久強度與斷裂時間也呈線性相關(guān)，擬合直線的相關(guān)系數(shù)為0.99，斜率在0.08～0.09之間。由直線斜率可知，不同硬度試樣的持久強度-斷裂時間曲線近似平行。

圖6 不同硬度試樣的持久強度-斷裂時間曲線Fig.6 Stress-rupture strength vs rupture time curves of different hardness specimens: (a) specimens with hardness of 167,206 HB and (b) specimens with hardness of 160, 180 HB

2.3 分析與討論

持久強度表征的是材料在某一溫度下受恒定載荷作用時在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)不發(fā)生斷裂的特性。在役部件在服役期間的持久強度均為間接獲得。GB/T 5310-2017推薦了硬度在200～220 HB范圍內(nèi)10Cr9Mo1VNbN(P91)鋼在不同溫度下的持久強度，但這些推薦值對硬度低于180 HB的P91鋼的服役行為不具有指導(dǎo)意義。

大量P/T91鋼持久強度的試驗結(jié)果表明，當(dāng)該鋼硬度在200～220 HB范圍內(nèi)時，其在一定溫度下的持久強度-斷裂時間曲線呈現(xiàn)近似平行規(guī)律[11-12]；圖6(b)中的結(jié)果表明，硬度低于200 HB時P91鋼在不同溫度下的持久強度-斷裂時間曲線與硬度為206 HB的也近似平行。由此推測，P91鋼持久強度-斷裂時間曲線的近似平行規(guī)律為其本質(zhì)特征。

以GB/T 5310-2017推薦的硬度200～220 HB范圍內(nèi)10Cr9Mo1VNbN鋼(P91鋼)不同溫度下的持久強度為基準，結(jié)合圖6(b)中的數(shù)據(jù)，基于持久強度-斷裂時間曲線近似平行的規(guī)律，建立不同硬度P91鋼的持久強度和斷裂時間的關(guān)系式：

y=Kx+B

(1)

式中：y為持久強度，MPa；K為斜率，-0.1-0.08；x為斷裂時間，h；B為截距，102.0102.5。

在現(xiàn)場檢驗硬度為140～170 HB的P91鋼主蒸汽管及再熱管上取樣，采用大應(yīng)力(80%Rp0.260%Rp0.2)進行102 000 h持久試驗得到對應(yīng)的斷裂時間數(shù)據(jù)(圖7中所框數(shù)據(jù)點)；利用式(1)對數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得到全壽命周期持久強度-斷裂時間曲線，如圖7所示。

圖7 基于短時持久數(shù)據(jù)擬合得到不同硬度試樣在540，560 ℃下的持久強度-斷裂時間曲線Fig.7 Fitted stress-rupture strength vs rupture time curves of specimens with different hardness at 540 ℃and 560 ℃ on the basis of short-term stress rupture data

在圖7中硬度分別為170，140 HB的全壽命持久強度-斷裂時間擬合曲線上取持久1萬h時對應(yīng)的持久強度，與長時持久試驗得到的持久強度進行對比。由表4可知，低硬度試樣長時持久強度試驗結(jié)果與擬合結(jié)果的相對誤差不大于6%。由此可見，通過式(1)對短時持久試驗數(shù)據(jù)進行擬合，快速獲得長時持久強度的準確性較高。根據(jù)上述方法，建立起不同硬度P91鋼的持久強度-斷裂時間曲線，就可以在不破壞部件完整性的情況下對硬度異常P91鋼部件的使用壽命進行評估。

表4 試驗和擬合得到不同硬度試樣在540 ℃和560 ℃下持久1萬h的持久強度Table 4 Stress-rupture strength by test and fitting of different hardness specimens after stress rupture at 540 ℃ and 560 ℃ for 1×104 h

3 結(jié) 論

(1) P91鋼在不同溫度下的屈服強度隨常溫硬度的變化曲線近似平行，且屈服強度隨硬度的減小而降低，特別是當(dāng)硬度低于180 HB時，下降速度明顯加快；持久強度隨硬度的變化曲線也近似平行，并且持久強度隨硬度的變化規(guī)律與屈服強度的變化規(guī)律一致。

(2) 硬度低于200 HB P91鋼的持久強度-斷裂時間曲線近似平行，與他人研究所得硬度在200～220 HB P91鋼的持久強度-斷裂時間曲線近似平行的規(guī)律一致；根據(jù)上述規(guī)律建立持久強度與斷裂時間的線性關(guān)系式，使用短時持久數(shù)據(jù)擬合得到持久強度-斷裂時間曲線，由此確定的長時持久強度與試驗結(jié)果的相對誤差不大于6%，擬合準確性較高。

(3) 利用建立的線性關(guān)系式，通過短時持久數(shù)據(jù)獲取不同硬度P91鋼的持久強度-斷裂時間曲線，就可以在不破壞部件完整性的情況下對硬度異常P91鋼部件的使用壽命進行評估。