P22主蒸汽管道運(yùn)行20萬小時(shí)后壽命評(píng)估

摘" 要：該文對(duì)某電廠運(yùn)行21.6萬小時(shí)的320 MW機(jī)組的P22鋼主蒸汽管道進(jìn)行取樣試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行壽命評(píng)估。結(jié)果表明，雖然主蒸汽管道母材的性能有所下降，但組織未見明顯劣化，且未見蠕變孔洞，在機(jī)組規(guī)范的運(yùn)行及監(jiān)督檢修維護(hù)前提條件下，按未來預(yù)計(jì)年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)6 500 h/a估算，機(jī)組可繼續(xù)安全運(yùn)行10年以上。

關(guān)鍵詞：P22;主蒸汽管道;剩余壽命評(píng)估;20萬小時(shí);蠕變

中圖分類號(hào)：TK247" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）26-0084-04

Abstract： In this paper， a sampling test is carried out on the P22 steel main steam pipe of a 320MW unit running for 216000 hours in a power plant， and the life of the test results is evaluated. The results show that although the performance of the base metal of the main steam pipe has declined， the structure has not been obviously deteriorated， and no creep hole has been seen. Under the premise of standard operation and supervision， maintenance and maintenance of the unit， according to the estimated average annual operation hours of 6 500 hours/year in the future， the unit can continue to operate safely for more than 10 years.

Keywords： P22; main steam pipe; residual life assessment; 200000 hours; creep

某電廠1號(hào)機(jī)組為320 MW燃煤機(jī)組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的300MWHG-1021/182-YM3型、亞臨界、中間再熱自然循環(huán)汽包爐，機(jī)組于1993年投入運(yùn)行，至2024年累計(jì)運(yùn)行約21.6萬小時(shí)，累計(jì)啟停238次。

為了掌握機(jī)組的安全狀態(tài)和剩余壽命，根據(jù)GB/T 30580—2014《電站鍋爐主要承壓部件壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》以及DL/T 654—2009《火電機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》等規(guī)章制度，對(duì)機(jī)組主蒸汽管道進(jìn)行了壽命評(píng)估。

1" 試驗(yàn)內(nèi)容

某電廠1號(hào)機(jī)組主蒸汽管道材質(zhì)為A335-P22，相當(dāng)于國產(chǎn)2.25Cr-1Mo鋼，該鋼具有良好的加工性能和持久性能[1]，現(xiàn)場(chǎng)管道規(guī)格主要為Ф610 mm×110 mm、Ф540.8 mm×85.34 mm、Ф556.5 mm×93.22 mm等，現(xiàn)場(chǎng)在Ф610 mm管段割長為500 mm管段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用的實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容包括：硬度測(cè)試、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、韌脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、高溫持久試驗(yàn)及蠕變損傷等。

1.1" 硬度測(cè)試

在對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行硬度試驗(yàn)中，每個(gè)試樣沿壁厚方向自外壁向內(nèi)壁取3個(gè)部位（分別為近外壁、中部和近內(nèi)壁試樣），在每個(gè)部位進(jìn)行硬度測(cè)試。試驗(yàn)載荷為30 kg，加載時(shí)間為15 s，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，主蒸汽管道母材的硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2" 拉伸試驗(yàn)

1.2.1" 室溫拉伸性能

在主蒸汽管道取樣進(jìn)行室溫拉伸性能試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為CMT5205，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知，主蒸汽管道的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新管要求的下限值，其余拉伸性能均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新管的要求。

1.2.2" 高溫拉伸性能

在主蒸汽管道取樣進(jìn)行高溫拉伸性能試驗(yàn)，按照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》，在MTS810電磁伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行540 ℃下高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

由表3可知，主蒸汽管道高溫規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度符合參照標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3" 沖擊試驗(yàn)

在主蒸汽管道壁厚中部取橫向樣進(jìn)行沖擊性能試驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知，主蒸汽管道的沖擊吸收能量符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新管的要求。

1.4" 韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)

脆性轉(zhuǎn)換溫度是評(píng)價(jià)一種鋼種性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，如果轉(zhuǎn)換溫度過高，在應(yīng)用過程中就有可能出現(xiàn)脆性破裂，從而導(dǎo)致事故[2]。在主蒸汽管道上取樣，加工成一組橫向夏比V型缺口沖擊試樣進(jìn)行韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)。

一般情況下，原始態(tài)高溫管道材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于0 ℃，但經(jīng)長期高溫服役后，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而逐漸升高，見表5。主蒸汽管道的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別為36 ℃和37 ℃，說明母材存在一定程度的脆化。

1.5" 金相檢驗(yàn)

在主蒸汽管道上截取金相試樣，對(duì)其進(jìn)行金相檢驗(yàn)，球化評(píng)級(jí)依據(jù)DL/T 999—2006《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[3]。金相組織照片如圖1所示，由圖1可知，主蒸汽管道母材組織為鐵素體+貝氏體，內(nèi)壁氧化層最厚處為0.32 mm，球化級(jí)別為3級(jí)。

1.6" 高溫持久試驗(yàn)

1.6.1" 壁厚校核及環(huán)向應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)GB/T 16507.2—2022《水管鍋爐 第2部分：材料》對(duì)主蒸汽管道部分進(jìn)行壁厚校核，主蒸汽管道材質(zhì)為P22，規(guī)格分別為Ф610 mm×110 mm/Ф540.8 mm×85.34 mm/Ф556.5 mm×93.22 mm/Ф413.8 mm×69.6 mm和Ф323.9 mm×60 mm，校核結(jié)果見表6。

由計(jì)算結(jié)果可知，在設(shè)計(jì)參數(shù)下，主蒸汽管道P22管段的最小需要壁厚分別為84.35 mm/74.78 mm/76.95 mm/57.11 mm/44.79 mm，實(shí)際壁厚分別為104.11 mm/84.92 mm/86.70 mm/64.45 mm/55.18 mm，大于各自的最小需要壁厚，且有較大的壁厚余量。

又根據(jù)DL/T 940—2022《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》，對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行環(huán)向應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表7。由計(jì)算結(jié)果可知，主蒸汽管道直管環(huán)向應(yīng)力為42.27 MPa。

1.6.2" 高溫持久實(shí)驗(yàn)

在試驗(yàn)用主蒸汽管道的中間部位，沿著軸向割取持久試驗(yàn)試樣，試樣為圓柱樣，截面直徑為Φ10 mm，幾何形狀和相關(guān)尺寸如圖2所示。

按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》，溫度控制在540 ℃，在RDL50型持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行恒載荷持久試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)控溫精度小于等于±3 ℃，溫度梯度小于等于3 ℃，試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷精度小于等于±1%。

1.6.3" 持久試驗(yàn)結(jié)果

主蒸汽管道在540 ℃不同應(yīng)力下的持久試驗(yàn)結(jié)果見表8。

1.6.4" 剩余壽命估算

本次評(píng)估基于P22主蒸汽管道的高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用等溫線外推法對(duì)主蒸汽管道的蠕變剩余壽命進(jìn)行評(píng)估[5]。根據(jù)持久試驗(yàn)結(jié)果，在給定的溫度下，應(yīng)力和斷裂時(shí)間tr之間的經(jīng)驗(yàn)公式為

σ=A（tr）m ， （1）

式中：σ為加載應(yīng)力，MPa;tr為斷裂時(shí)間，h;A、m為材料常數(shù)。

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下采用最小二乘法對(duì)表1—表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖3）得到中值線方程，再對(duì)其在縱坐標(biāo)方向取0.8的下分散帶系數(shù)，求得540 ℃下的主蒸汽管道試驗(yàn)應(yīng)力與其斷裂時(shí)間之間的方程為

σ=214.97 tr-0.073 。" " " " " "（2）

根據(jù)DL/T 940—2022《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》要求[6]，在持久試驗(yàn)外推持久強(qiáng)度時(shí)，外推的規(guī)定時(shí)間應(yīng)小于最長試驗(yàn)時(shí)間的10倍。將主蒸汽管道環(huán)向應(yīng)力代入式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，并扣除從取樣至今的運(yùn)行時(shí)間，得到主蒸汽管道段的蠕變剩余壽命大于8萬小時(shí)，按未來預(yù)計(jì)年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)6 500 h/a估算，1號(hào)機(jī)組可繼續(xù)安全運(yùn)行10年以上。

2" 結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可知，主蒸汽管道的硬度值、室溫及高溫拉伸性能、沖擊吸收能量符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新管的要求，剪切斷面率為50%對(duì)應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為36 ℃，母材組織為鐵素體+貝氏體，內(nèi)壁氧化層最厚處為0.32 mm，球化級(jí)別為3級(jí)，雖然金相組織有輕度到中度的老化，但是這是P22管道長期使用時(shí)正常現(xiàn)象，所有數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)組織和性能出現(xiàn)加速老化現(xiàn)象。

根據(jù)高溫持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出主蒸汽管道剩余壽命大于8.4萬小時(shí)，在正常工況下，按未來預(yù)計(jì)年平均運(yùn)行小時(shí)數(shù)6 500 h/a估算，1號(hào)機(jī)組可繼續(xù)安全運(yùn)行10年以上。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳紅良.長期服役P22鋼管道材料的性能及殘余壽命評(píng)估[D].北京：華北電力大學(xué)，2018.

[2] 張俊萍，肖功業(yè)，何彪.A335P22大口徑核電用無縫鋼管產(chǎn)品性能研究[J].四川冶金，2014（5）：27-33.

[3] 電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：DL/T 999—2006[S].

[4] 金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法：GB/T 2039—2012[S].

[5] 火電機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則：DL/T 654—2021[S].

[6] 火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則：DL/T 940—2022[S].

作者簡(jiǎn)介：汪龍平（1981-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)殡姀S金屬技術(shù)。