長期高溫服役電站主蒸汽管道的剩余壽命評估

陳興陽,周 陽,宋俊俊,王鋒淮,謝浩平,馬琳琳

(1.浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院,杭州 310020；2.浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310020)

12Cr1MoV鋼的生產(chǎn)工藝成熟，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)穩(wěn)定，價(jià)格較低，具有良好的焊接性能、抗氧化性能和組織熱穩(wěn)定性，是制造高溫、高壓管道和受熱面管等承壓部件的首選材料[1-5]。12Cr1MoV鋼正常供貨狀態(tài)一般為正火+回火，正常組織為鐵素體+珠光體或鐵素體+貝氏體。在500～580 ℃的服役溫度下長期運(yùn)行，12Cr1MoV鋼組織中的珠光體會發(fā)生球化現(xiàn)象，使材料逐漸劣化，甚至失效。在長期高溫服役的過程中，該材料不可避免地會發(fā)生劣化，影響電站鍋爐等高溫承壓設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。目前，相關(guān)研究大多集中在爐管的開裂原因分析、蠕變性能研究和剩余壽命評估等方面[6-8]，而對材料在長期高溫服役后的組織轉(zhuǎn)變，以及該轉(zhuǎn)變對管道材料力學(xué)性能和剩余壽命影響的研究較少。筆者對長期高溫服役后電站主蒸汽管道的顯微組織進(jìn)行分析，并研究了管道的顯微組織、力學(xué)性能與爐管剩余壽命的關(guān)系，為預(yù)防管道出現(xiàn)劣化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料取自某公司電站主蒸汽管道的一段，該管道在定期檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)材料珠光體球化嚴(yán)重，現(xiàn)場金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料的珠光體球化級別達(dá)到5級，該管道參數(shù)為：管徑為175 mm，壁厚為22 mm，材料為12Cr1MoV鋼，設(shè)計(jì)溫度為557.75 ℃，設(shè)計(jì)壓力為11.5 MPa，服役溫度為540 ℃，服役壓力為10.5 MPa，累計(jì)運(yùn)行18 a。對割管材料進(jìn)行取樣，并分別進(jìn)行金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試和高溫蠕變持久試驗(yàn)。

分別在蒸汽管道母材、焊縫附近位置取金相檢驗(yàn)試樣，取樣位置如圖1所示。對所取試樣進(jìn)行打磨、拋光后，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇熔液進(jìn)行腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡分別觀察管道外壁、中間層、內(nèi)壁、焊縫區(qū)域的顯微組織。在管道母材的縱向取樣，用Instron 8801型萬能疲勞試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行室溫(20.1 ℃)和高溫(540 ℃)拉伸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取2個(gè)試樣。在管道母材的縱向取樣，用高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)測試試樣的高溫蠕變持久強(qiáng)度，測試應(yīng)力為120～220 MPa，測試溫度為520～580 ℃，溫度間隔為20 ℃。

圖1 金相檢驗(yàn)試樣取樣位置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相檢驗(yàn)

主蒸汽管道的顯微組織形貌如圖2所示，根據(jù)DLT 773—2016 《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》，對主蒸汽管道的珠光體球化等級和晶粒度進(jìn)行評級。發(fā)現(xiàn)該蒸汽管道已經(jīng)嚴(yán)重球化，球化等級為5級，晶粒度等級為6.5級，顯微組織為鐵素體+球化體；該蒸汽管道內(nèi)壁、中間層、外壁組織的球化程度、晶粒度等級均一致。

圖2 主蒸汽管道的顯微組織形貌

2.2 拉伸試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可知在室溫環(huán)境下，該管道母材的屈服強(qiáng)度為266～348 MPa，抗拉強(qiáng)度為476～563 MPa，斷后伸長率為31.5%～32.5%，滿足GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規(guī)定，但屈服強(qiáng)度較低且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，說明球化對材料的室溫力學(xué)性能有較大影響[9-11]。

表1 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可知在高溫環(huán)境下，管道的屈服強(qiáng)度為196～201 MPa，抗拉強(qiáng)度為265～280 MPa，斷后伸長率為28.5%～37.0%，滿足GB/T 5310—2017的規(guī)定，但屈服強(qiáng)度較低且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限，說明球化對材料的高溫力學(xué)性能有較大影響，原因是球化珠光體導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度降低，在熱力學(xué)驅(qū)動力的作用下，球化珠光體的片層間距增大，晶粒尺寸變大，晶界總長度減小，晶界強(qiáng)化作用減弱；碳化物的析出導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱，不斷聚集長大的碳化物引起局部應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致材料的高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低[11-13]。

表2 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 管道剩余壽命計(jì)算

蒸汽管道直管段的內(nèi)壓應(yīng)力(σeq)和環(huán)向應(yīng)力(σθ)的計(jì)算方法分別如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中：p為管道運(yùn)行壓力；D0為蒸汽管道外徑；Y為溫度對壁厚的修正系數(shù)(Y=0.7)；S為蒸汽管道壁厚；α為附加壁厚(α=2 mm)。

蒸汽管道計(jì)算應(yīng)力取蒸汽管道內(nèi)壓應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的最大值，因此蒸汽管道計(jì)算應(yīng)力取σθ。在預(yù)測剩余壽命時(shí)，考慮到蒸汽管道運(yùn)行的波動變化以及管道厚度不均勻等因素，管道的計(jì)算應(yīng)力必須給定一個(gè)合適的安全系數(shù)(2.0)，因此，該蒸汽管道的計(jì)算應(yīng)力為82.2 MPa。

根據(jù)高溫持久強(qiáng)度性能測試數(shù)據(jù)分析，采用L-M參數(shù)[p(σ)]方程建立壽命評估模型，計(jì)算該蒸汽管道的剩余壽命，該方法是已普遍應(yīng)用且相對可靠的剩余壽命評估方法。12Cr1MoV鋼的L-M參數(shù)方程如式(3)所示。

p(σ)=T(C+lgtr)

(3)

式中：T為試驗(yàn)溫度；C為L-M常數(shù)(C=22)；tr為斷裂時(shí)間。

表3為不同試驗(yàn)應(yīng)力(σ)下主蒸汽管道的斷裂時(shí)間，通過試驗(yàn)應(yīng)力-試驗(yàn)溫度-斷裂時(shí)間之間的關(guān)系得到p(σ)-σ擬合曲線(見圖3)。

表3 不同試驗(yàn)應(yīng)力下主蒸汽管道的斷裂時(shí)間 h

圖3中4個(gè)方框數(shù)據(jù)點(diǎn)呈線性關(guān)系，說明12Cr1MoV鋼材料的高溫性能比較穩(wěn)定；圓點(diǎn)為計(jì)算應(yīng)力(82.2 MPa)下擬合線中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，該點(diǎn)對應(yīng)的p(σ)=21 619.0。將p(σ)=21 619.0，T=813 K(蒸汽管道的工作溫度)代入式(3)，可得tr=39 051 h，約為4.45 a。

圖3 12Cr1MoV鋼材料的p(σ)-σ擬合曲線

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1) 長期高溫服役后，該蒸汽管道材料組織已發(fā)生嚴(yán)重球化，球化等級為5級，組織為鐵素體+碳化物，蒸汽管道內(nèi)壁、中間層、外壁組織的球化程度、晶粒度等級均一致。

(2) 該蒸汽管道室溫、高溫力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但是室溫、高溫屈服強(qiáng)度均較低，且接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值，原因是晶粒尺寸變大，晶界總長度減小，晶界強(qiáng)化作用減弱，碳化物的析出導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱，最終導(dǎo)致材料的高溫抗拉強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度大幅降低。

(3) 在工作壓力為10.5 MPa(計(jì)算應(yīng)力為82.2 MPa)，工作溫度為540 ℃的條件下，該蒸汽管道的剩余壽命約為4.45 a。

4.2 建議

建議該蒸汽管道在4 a內(nèi)進(jìn)行更換，在運(yùn)行期間，加強(qiáng)日常檢查工作，以避免該蒸汽管道與其他管線碰撞，產(chǎn)生額外應(yīng)力；嚴(yán)格控制工作溫度和工作壓力，對該蒸汽管道進(jìn)行蠕變狀態(tài)監(jiān)測、金相檢驗(yàn)跟蹤等工作。