蒸汽管道珠光體球化合于使用評(píng)價(jià)

王海林

（揚(yáng)子石化公司熱電廠，江蘇南京 210048）

0 引言

合于使用評(píng)價(jià)是根據(jù)合理的失效準(zhǔn)則和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，評(píng)價(jià)服役中的承壓設(shè)備是否符合預(yù)期的工況和環(huán)境，服役過程中產(chǎn)生的缺陷和損傷是否威脅其運(yùn)行安全，對(duì)設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行或改造、維修報(bào)廢、更換等決策提供技術(shù)支撐[1]。某電廠低壓蒸汽管道和中壓蒸汽管道分別于2009 年和1988 年投用，管道材料為20#鋼。兩根管道于近期進(jìn)行了定期檢驗(yàn)，金相檢測(cè)抽查發(fā)現(xiàn)管道彎頭存在珠光體球化3 級(jí)和3.5 級(jí)問題，為分析彎頭材料珠光體球化對(duì)管道繼續(xù)安全運(yùn)行的影響，確保該管道的長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)該管道進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)。

1 管道基本參數(shù)

兩條蒸汽管道基本參數(shù)見表1。

表1 蒸汽管道基本參數(shù)

2 本次檢驗(yàn)情況

對(duì)兩條蒸汽管道位置、支吊架、絕熱層等進(jìn)行宏觀檢查，未見異常。管道壁厚測(cè)定結(jié)果見表2。滲透檢測(cè)抽查管道對(duì)接焊縫，未發(fā)現(xiàn)缺陷跡痕顯示，I 級(jí)合格。超聲檢測(cè)抽查管道對(duì)接焊縫，未記錄超標(biāo)缺陷，I 級(jí)合格。兩條蒸汽管道硬度檢測(cè)結(jié)果見表3。根據(jù)DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》，20#硬度值參考值為106～159 HB，低壓蒸汽管道硬度值結(jié)果偏低，中壓蒸汽管道硬度值基本正常。

表2 壁厚測(cè)定結(jié)果 mm

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

低壓蒸汽管道選擇6 處（檢測(cè)部位管道規(guī)格均為Φ356 mm×10 mm）進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)部位包括3 處彎頭母材和3 處彎頭與直管連接焊縫。3 處彎頭母材金相組織均為鐵素體+珠光體，其中1 處為3 級(jí)球化、另外2 處為3.5 級(jí)球化，彎頭部位金相組織如圖1 所示。3 處彎頭與直管連接焊縫金相組織均為鐵素體+珠光體，未見異常，焊逢部位金相組織如圖2 所示。

圖1 低壓蒸汽管道彎頭母材金相組織（珠光體3.5 級(jí)球化）

圖2 低壓蒸汽管道彎頭與直管連接焊縫金相組織

中壓蒸汽管道選擇8 處進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)部位均為彎頭母材。8 處彎頭母材組織均為鐵素體+珠光體，其中7 處為3.5 級(jí)球化、另外1 處為3級(jí)球化，典型金相組織如圖3 所示。

圖3 中壓蒸汽管道彎頭母材金相組織（珠光體3.5 級(jí)球化）

3 主要失效模式分析

珠光體球化是碳鋼和低合金鋼在高溫環(huán)境下，珠光體中滲碳體（碳化物）形態(tài)由最初的層片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀的過程。低壓蒸汽管道使用約12 年，使用溫度為325 ℃，在此溫度下繼續(xù)運(yùn)行（不發(fā)生超溫），該管道無進(jìn)一步球化趨勢(shì)。中壓蒸汽管道現(xiàn)已運(yùn)行了約33 年，使用溫度為425 ℃，從歷次的檢測(cè)情況來看，管道在425 ℃使用溫度環(huán)境下球化發(fā)展較緩慢，不會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)材料強(qiáng)度明顯降低的情況。兩條蒸汽管道珠光體球化導(dǎo)致的主要失效模式分析如下：

（1）強(qiáng)度失效。材料發(fā)生珠光體球化，可導(dǎo)致材料短時(shí)拉伸強(qiáng)度降低，使管道發(fā)生強(qiáng)度失效。根據(jù)該管道硬度檢測(cè)結(jié)果，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算許用應(yīng)力，進(jìn)行強(qiáng)度失效評(píng)價(jià)。

（2）高溫持久斷裂失效。根據(jù)GB/T 35013《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》，碳鋼考慮蠕變的極限溫度為343 ℃，而低壓蒸汽管道使用溫度為325 ℃，中壓蒸汽管道使用溫度為425 ℃，因此，中壓蒸汽管道還需考慮蠕變/持久斷裂失效模式。珠光體球化同樣會(huì)導(dǎo)致材料在高溫環(huán)境下的持久強(qiáng)度降低，使管道發(fā)生持久斷裂失效。

（3）脆性斷裂失效。兩條管道使用溫度較高，且超聲和滲透檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

綜上所述，低壓蒸汽管道合于使用評(píng)價(jià)主要考慮強(qiáng)度失效。中壓蒸汽管道評(píng)價(jià)主要考慮強(qiáng)度失效和持久斷裂失效。

4 強(qiáng)度校核

4.1 強(qiáng)度估算

根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》提供的數(shù)據(jù)，對(duì)于碳鋼，當(dāng)硬度為102 HB 時(shí)（GB/T 1172—1999 給出的碳鋼最小硬度數(shù)據(jù)），對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度為375 MPa[2]。由此，近似給出硬度估算抗拉強(qiáng)度的關(guān)系式為的σu=3.67 HB。

本次檢測(cè)，低壓蒸汽管道實(shí)測(cè)硬度值最低為83 HB，中壓蒸汽管道實(shí)測(cè)硬度值最低為120 HB。評(píng)定時(shí)，取上述兩條管道所測(cè)硬度最低值即83 HB 進(jìn)行計(jì)算。得到對(duì)應(yīng)硬度下材料抗拉強(qiáng)度σu=3.67×83=304.6 MPa。

4.2 許用應(yīng)力計(jì)算

參照GB/T 35013 標(biāo)準(zhǔn)，由材料抗拉強(qiáng)度（硬度換算得到）計(jì)算許用應(yīng)力的公式（1）：

式中[σ]afd是考慮硬度下降后的材料許用應(yīng)力，MPa；σht是由硬度得出的抗拉強(qiáng)度，此處取304.6 MPa；nh是安全系數(shù)，參照標(biāo)準(zhǔn)，此處取1.2；nism是安全系數(shù)，參照標(biāo)準(zhǔn)，此處取3.0；σt是服役溫度下正常材料的許用應(yīng)力，MPa；σa是室溫下正常材料的許用應(yīng)力，MPa。

計(jì)算得到兩條蒸汽管道材料許用應(yīng)力（表4）。

表4 許用應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.3 壁厚計(jì)算與校核

依據(jù)GB/T 20801—2020 等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，直管和彎管度校核壁厚計(jì)算公式：

直管：

彎管：

式中：p 是評(píng)定壓力取工作壓力；D 是管道外徑；Y 是計(jì)算系數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)取為0.4；R 是彎管半徑，1.5D；Φ 是縱向焊接接頭系數(shù)，管道為無縫管，取為1.0；S 是由4.2 節(jié)計(jì)算得到的材料許用應(yīng)力；C 是腐蝕裕量，取為0.5 mm；I是計(jì)算系數(shù)。

計(jì)算得到兩條蒸汽管道在校核工況下，所需壁厚見表5，表中也列出了管道實(shí)測(cè)最小壁厚?？梢妼?shí)測(cè)最小壁厚不小于計(jì)算所需壁厚，強(qiáng)度校核合格。即兩條蒸汽管道在目前已檢出的硬度情況和球化程度范圍內(nèi)，可以通過強(qiáng)度校核。

表5 管道計(jì)算壁厚與實(shí)測(cè)最小壁厚

5 持久斷裂評(píng)估

中壓蒸汽管道運(yùn)行溫度為425 ℃，投用時(shí)間1988 年。根據(jù)中壓蒸汽管道主要失效模式分析，對(duì)其進(jìn)行持久斷裂評(píng)估。

（1）根據(jù)TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗(yàn)規(guī)則——工業(yè)管道》，材料劣化和損傷，發(fā)現(xiàn)存在球化、石墨化等材料劣化、蠕變等損傷現(xiàn)象或者硬度值異常；如果劣化或者損傷程度輕微，能夠確認(rèn)在操作條件下和檢驗(yàn)周期安全使用的，可以定大3級(jí)：如果己經(jīng)產(chǎn)生不可修復(fù)的缺陷或者損傷時(shí)，根據(jù)損傷程度，定為3 級(jí)或者4 級(jí)。

（2）參考DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》，對(duì)于高溫蠕變、球化、石墨化材料劣化損傷，彎頭/彎管發(fā)現(xiàn)下列情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理或更換：①產(chǎn)生蠕變裂紋或嚴(yán)重的蠕變損傷（蠕變損傷4 級(jí)級(jí)以上）時(shí)；②碳鋼彎頭石墨化達(dá)4 級(jí)時(shí)。

（3）參考API 579/ASME《Fitness-For-Service》、API STD 530《Calculation of Heater-tube Thickness in Petroleum Refineries》等標(biāo)準(zhǔn)，管道持久壽命計(jì)算公式：

式中：L 是壽命；LMP（σ）是與應(yīng)力相關(guān)的Larson-Miller 參數(shù)；T 是運(yùn)行溫度；CLMP是常數(shù)。參考DL/T 654，計(jì)算得到應(yīng)力并取1.5 倍安全系數(shù)，則σ 為43.3 MPa；T 為425 ℃；CLMP根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取為20。由此，計(jì)算得到不考慮材料劣化情況下管道持久壽命遠(yuǎn)大于已運(yùn)行的時(shí)間33 年。

（4）從中壓蒸汽管道歷次檢測(cè)結(jié)果來看，即使是使用導(dǎo)致的球化現(xiàn)象，發(fā)展也較緩慢，不會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)材料強(qiáng)度明顯降低的情況。

（5）低壓蒸汽管道（Φ356 mm×10 mm 規(guī)格段）和中壓蒸汽管道彎頭金相檢測(cè)所檢部位中，珠光體球化最嚴(yán)重為3.5 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)石墨化和蠕變裂紋。結(jié)合上述評(píng)估內(nèi)容認(rèn)為本次檢驗(yàn)檢出的材料珠光體球化程度范圍暫不會(huì)導(dǎo)致管道在使用溫度下發(fā)生持久斷裂失效。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)兩條蒸汽管道進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，得到彎頭金相檢測(cè)所檢部位中珠光體球化最嚴(yán)重為3.5 級(jí)，未發(fā)現(xiàn)石墨化和蠕變裂紋的現(xiàn)象，在近期檢驗(yàn)檢出的珠光體球化程度范圍內(nèi)，暫不影響其在允許運(yùn)行參數(shù)下安全使用。該管道實(shí)測(cè)最小壁厚均不小于計(jì)算所需壁厚，強(qiáng)度校核合格。同時(shí)兩條蒸汽管道運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)控運(yùn)行參數(shù)，嚴(yán)禁超溫超壓運(yùn)行，在投運(yùn)管道過程中應(yīng)當(dāng)充分暖管，按照操作規(guī)程控制管道內(nèi)蒸汽升溫升壓的速度。