低硬度P91主蒸汽管道弯头的寿命评估

张永军， 张伟妮， 王 峥， 王延峰

(1. 山西大唐国际运城发电有限责任公司，山西运城 044000；2.上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

2009年以前，ASME SA-335/SA-335M系列标准《高温设备用无缝铁素体合金钢管规范》和我国的DL/T 438系列标准《火力发电厂金属技术监督规程》中仅对P91无缝钢管的硬度上限提出了要求，即管材硬度不应超过 250HB/265HV/25HRC，对硬度下限并未提出具体要求，故在设备制造和机组检修过程中，无论是进口的还是国产的P91管材、管件都存在硬度偏低的现象。直到2009年，才对 9%～12%(质量分数，下同)Cr系列钢制管道的硬度做出规定，要求其硬度应控制在180HB～250HB，但在DL/T 438—2009 《火力发电厂金属技术监督规程》及ASME SA-335/SA-335M—2009 《高温设备用无缝铁素体合金钢管规范》正式颁布之前，已经有部分管材硬度低于180HB的 P91管件被安装到亚临界和超临界火电机组中作为主蒸汽管道和高温再热蒸汽管道使用[1]。P91管材的硬度与其持久强度及寿命有一定的对应关系，硬度偏低将严重影响其使用寿命，当发现P91管件存在硬度偏低的情况时，需要对这些管件剩余寿命进行评估，以提出科学合理的检修周期或更换策略，做到既能够保障生产，又能够安全运行[2]。

在对某机组P91主蒸汽管道进行检修时，发现该机组某弯头部位硬度偏低，金相组织异常，故对该弯头进行割管取样，开展相关性能试验，进而对该P91管材的弯头进行剩余寿命预测。该机组自投产至今累计运行59 860.11 h，管道蒸汽温度为541 ℃，正常运行下的管道蒸汽压力为17.5 MPa。

1 试验材料

对割取的弯头表面进行硬度测试，并对其进行壁厚测量。用里氏硬度计进行硬度测试，测得的硬度最低值仅为140HBHLD。用超声测厚仪进行壁厚测量，测得该弯头的平均壁厚为42.55 mm，最大壁厚为49.3 mm，最小壁厚为38.4 mm。在硬度较低的区域解剖取样并进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 化学成分分析

表1为取样弯头的化学成分分析结果，各元素含量均满足GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》对10Cr9Mo1VNbN钢的要求。

表1 弯头的化学成分分析结果 %

2.2 硬度测试

将解剖获得的全壁厚硬度块试样，在布氏硬度试验机上由内壁向外壁依次进行硬度测试。所测得的硬度在160HB～170HB，与里氏硬度计测得的硬度存在一定偏差，普遍高出20HB左右，但仍不满足DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》的要求。

2.3 金相组织分析

对硬度偏低的试样开展金相组织分析，结果见图1。从图1可以看出：该弯头的显微组织为等轴状铁素体+碳化物，而非正常的P91钢材金相组织，即回火马氏体[3]。

图1 金相组织

2.4 显微组织分析

采用透射电子显微镜观察硬度偏低试样的显微组织结构，其形貌及析出相衍射斑点见图2。

图2 试样的形貌及析出相衍射斑点

从图2可以看出：大部分马氏体板条形貌已消失，位错密度明显下降，晶界和晶内都有碳化物析出。通过扫描透射电子显微镜(STEM)进行元素面分布和选区衍射分析，晶内和晶界处可见较为粗大的析出相颗粒，其主要为Cr23C6相和富Mo元素的Laves相。另外，基体内部还有较多的细小M(V,Nb)C相颗粒，且部分MX相发生粗化。

2.5 持久断裂试验

按照GB/T 2039—2012 《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》要求，对该弯头在高温下开展了加速持久试验。为提高外推数据的可靠性，基于参数内插原则，在布置持久试验点时，使试验应力的范围包络住待评定的应力(待评定应力=实际服役应力×安全系数)。

3 寿命评估

3.1 服役应力计算

弯头应力计算按DL/T 940—2005 《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》中的公式进行，具体公式为：

(1)

式中：σθmax为最大环向应力，MPa；p为管道正常运行下的压力，MPa；Di为管道内直径，mm；S为弯头(弯管)最小壁厚，mm；e为弯头不圆度；μ为泊松比，取0.3；E为材料弹性模量，MPa[4]。根据式(1)计算得出该弯头的最大环向应力为93.22 MPa。

3.2 金属壁温

取管道蒸汽温度(541 ℃)作为评估温度。

3.3 剩余寿命计算

对持久试验数据按照L-M参数法处理，并进行多项式拟合，结果见图3。

图3 主蒸汽管道持久断裂数据的L-M参数法处理

拟合得到图3中的主曲线方程为：

P=T(31.046 1+lgtr)×10-3=

12.022 6+29.979 3×lgσθ-

10.256×(lgσθ)2

(2)

式中：T为金属壁温，K；tr为断裂时间(剩余寿命)，h。

将环向应力和金属壁温代入式(2)，求出管子的剩余寿命。工程上，为保证评估的安全性，需要将应力乘以一定的安全系数n(n≥1)，在高于实际服役应力的情况下进行评估，以得到较为保守的结果。在我国，管道强度设计一般是取1.5作为安全系数，故寿命评估亦采用此安全系数。结果表明，在管道蒸汽参数为541 ℃、17.5 MPa的服役条件下，该弯头的剩余寿命为5.47×104h。

4 结语

通过对P91主蒸汽管道某弯头开展详细的组织和性能分析，得出如下结论：

(1) 该弯头的硬度值已不满足DL/T 438—2016的要求。

(2) 金相显微镜观察结果显示该弯头的显微组织为等轴状铁素体+碳化物。

(3) 该弯头透射电子显微镜组织中大部分马氏体板条形貌已消失，位错密度明显下降，晶界和晶内都有碳化物析出。析出相主要为Cr23C6相和Laves相。另外，基体内部分布着大量的M(V,Nb)C相颗粒，部分MX相发生粗化。

(4) 通过对弯头开展加速持久试验，对数据按L-M参数法进行拟合，得到了该弯头的持久强度主曲线方程，并以此对该弯头的剩余寿命进行了评估。按照安全系数为1.5进行计算得出：在管道蒸汽参数为541 ℃、17.5 MPa的服役条件下，该弯头的剩余寿命为5.47×104h，因此仍可以安全使用至少6 a。