低硬度P91主蒸汽管道彎頭的壽命評(píng)估

張永軍， 張偉妮， 王 崢， 王延峰

(1. 山西大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司，山西運(yùn)城 044000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

2009年以前，ASME SA-335/SA-335M系列標(biāo)準(zhǔn)《高溫設(shè)備用無(wú)縫鐵素體合金鋼管規(guī)范》和我國(guó)的DL/T 438系列標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中僅對(duì)P91無(wú)縫鋼管的硬度上限提出了要求，即管材硬度不應(yīng)超過(guò) 250HB/265HV/25HRC，對(duì)硬度下限并未提出具體要求，故在設(shè)備制造和機(jī)組檢修過(guò)程中，無(wú)論是進(jìn)口的還是國(guó)產(chǎn)的P91管材、管件都存在硬度偏低的現(xiàn)象。直到2009年，才對(duì) 9%～12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Cr系列鋼制管道的硬度做出規(guī)定，要求其硬度應(yīng)控制在180HB～250HB，但在DL/T 438—2009 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》及ASME SA-335/SA-335M—2009 《高溫設(shè)備用無(wú)縫鐵素體合金鋼管規(guī)范》正式頒布之前，已經(jīng)有部分管材硬度低于180HB的 P91管件被安裝到亞臨界和超臨界火電機(jī)組中作為主蒸汽管道和高溫再熱蒸汽管道使用[1]。P91管材的硬度與其持久強(qiáng)度及壽命有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，硬度偏低將嚴(yán)重影響其使用壽命，當(dāng)發(fā)現(xiàn)P91管件存在硬度偏低的情況時(shí)，需要對(duì)這些管件剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，以提出科學(xué)合理的檢修周期或更換策略，做到既能夠保障生產(chǎn)，又能夠安全運(yùn)行[2]。

在對(duì)某機(jī)組P91主蒸汽管道進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組某彎頭部位硬度偏低，金相組織異常，故對(duì)該彎頭進(jìn)行割管取樣，開(kāi)展相關(guān)性能試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)該P(yáng)91管材的彎頭進(jìn)行剩余壽命預(yù)測(cè)。該機(jī)組自投產(chǎn)至今累計(jì)運(yùn)行59 860.11 h，管道蒸汽溫度為541 ℃，正常運(yùn)行下的管道蒸汽壓力為17.5 MPa。

1 試驗(yàn)材料

對(duì)割取的彎頭表面進(jìn)行硬度測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行壁厚測(cè)量。用里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)得的硬度最低值僅為140HBHLD。用超聲測(cè)厚儀進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)得該彎頭的平均壁厚為42.55 mm，最大壁厚為49.3 mm，最小壁厚為38.4 mm。在硬度較低的區(qū)域解剖取樣并進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

表1為取樣彎頭的化學(xué)成分分析結(jié)果，各元素含量均滿足GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)10Cr9Mo1VNbN鋼的要求。

表1 彎頭的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.2 硬度測(cè)試

將解剖獲得的全壁厚硬度塊試樣，在布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上由內(nèi)壁向外壁依次進(jìn)行硬度測(cè)試。所測(cè)得的硬度在160HB～170HB，與里氏硬度計(jì)測(cè)得的硬度存在一定偏差，普遍高出20HB左右，但仍不滿足DL/T 438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求。

2.3 金相組織分析

對(duì)硬度偏低的試樣開(kāi)展金相組織分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1可以看出：該彎頭的顯微組織為等軸狀鐵素體+碳化物，而非正常的P91鋼材金相組織，即回火馬氏體[3]。

圖1 金相組織

2.4 顯微組織分析

采用透射電子顯微鏡觀察硬度偏低試樣的顯微組織結(jié)構(gòu)，其形貌及析出相衍射斑點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 試樣的形貌及析出相衍射斑點(diǎn)

從圖2可以看出：大部分馬氏體板條形貌已消失，位錯(cuò)密度明顯下降，晶界和晶內(nèi)都有碳化物析出。通過(guò)掃描透射電子顯微鏡(STEM)進(jìn)行元素面分布和選區(qū)衍射分析，晶內(nèi)和晶界處可見(jiàn)較為粗大的析出相顆粒，其主要為Cr23C6相和富Mo元素的Laves相。另外，基體內(nèi)部還有較多的細(xì)小M(V,Nb)C相顆粒，且部分MX相發(fā)生粗化。

2.5 持久斷裂試驗(yàn)

按照GB/T 2039—2012 《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》要求，對(duì)該彎頭在高溫下開(kāi)展了加速持久試驗(yàn)。為提高外推數(shù)據(jù)的可靠性，基于參數(shù)內(nèi)插原則，在布置持久試驗(yàn)點(diǎn)時(shí)，使試驗(yàn)應(yīng)力的范圍包絡(luò)住待評(píng)定的應(yīng)力(待評(píng)定應(yīng)力=實(shí)際服役應(yīng)力×安全系數(shù))。

3 壽命評(píng)估

3.1 服役應(yīng)力計(jì)算

彎頭應(yīng)力計(jì)算按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》中的公式進(jìn)行，具體公式為：

(1)

式中：σθmax為最大環(huán)向應(yīng)力，MPa；p為管道正常運(yùn)行下的壓力，MPa；Di為管道內(nèi)直徑，mm；S為彎頭(彎管)最小壁厚，mm；e為彎頭不圓度；μ為泊松比，取0.3；E為材料彈性模量，MPa[4]。根據(jù)式(1)計(jì)算得出該彎頭的最大環(huán)向應(yīng)力為93.22 MPa。

3.2 金屬壁溫

取管道蒸汽溫度(541 ℃)作為評(píng)估溫度。

3.3 剩余壽命計(jì)算

對(duì)持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照L-M參數(shù)法處理，并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 主蒸汽管道持久斷裂數(shù)據(jù)的L-M參數(shù)法處理

擬合得到圖3中的主曲線方程為：

P=T(31.046 1+lgtr)×10-3=

12.022 6+29.979 3×lgσθ-

10.256×(lgσθ)2

(2)

式中：T為金屬壁溫，K；tr為斷裂時(shí)間(剩余壽命)，h。

將環(huán)向應(yīng)力和金屬壁溫代入式(2)，求出管子的剩余壽命。工程上，為保證評(píng)估的安全性，需要將應(yīng)力乘以一定的安全系數(shù)n(n≥1)，在高于實(shí)際服役應(yīng)力的情況下進(jìn)行評(píng)估，以得到較為保守的結(jié)果。在我國(guó)，管道強(qiáng)度設(shè)計(jì)一般是取1.5作為安全系數(shù)，故壽命評(píng)估亦采用此安全系數(shù)。結(jié)果表明，在管道蒸汽參數(shù)為541 ℃、17.5 MPa的服役條件下，該彎頭的剩余壽命為5.47×104h。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)P91主蒸汽管道某彎頭開(kāi)展詳細(xì)的組織和性能分析，得出如下結(jié)論：

(1) 該彎頭的硬度值已不滿足DL/T 438—2016的要求。

(2) 金相顯微鏡觀察結(jié)果顯示該彎頭的顯微組織為等軸狀鐵素體+碳化物。

(3) 該彎頭透射電子顯微鏡組織中大部分馬氏體板條形貌已消失，位錯(cuò)密度明顯下降，晶界和晶內(nèi)都有碳化物析出。析出相主要為Cr23C6相和Laves相。另外，基體內(nèi)部分布著大量的M(V,Nb)C相顆粒，部分MX相發(fā)生粗化。

(4) 通過(guò)對(duì)彎頭開(kāi)展加速持久試驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)按L-M參數(shù)法進(jìn)行擬合，得到了該彎頭的持久強(qiáng)度主曲線方程，并以此對(duì)該彎頭的剩余壽命進(jìn)行了評(píng)估。按照安全系數(shù)為1.5進(jìn)行計(jì)算得出：在管道蒸汽參數(shù)為541 ℃、17.5 MPa的服役條件下，該彎頭的剩余壽命為5.47×104h，因此仍可以安全使用至少6 a。