高溫蒸汽管道的組織性能和剩余壽命分析

李剛 李仕力 陳智 陳釩

摘 要：本文通過化學成分、力學性能和微觀組織分析等試驗，對發(fā)生球化的P22蒸汽管道材質組織性能進行了分析。P22材質在500℃高溫下服役約21年后，其室溫屈服強度仍在338MPa以上，抗拉強度在534MPa以上，520℃高溫拉伸屈服強度仍在200MPa以上，0℃下的夏比沖擊吸收功達到110J，硬度、微觀組織等均符合相關標準要求。根據(jù)DL/T 940—2005《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》等相關標準對管道剩余壽命進行了二級評估。

關鍵詞：球化；蒸汽管道；P22；組織性能

中圖分類號：TK22 文獻標志碼：A

0 引言

某蒸汽管道于1994年建成，在2016年進行全面檢驗時現(xiàn)場金相檢驗發(fā)現(xiàn)管道存在中度球化，評定為3級。為了全面評價該管道的材料服役狀態(tài)，對管道材料分別進行了化學成分、力學性能和微觀組織分析等試驗，對材質組織性能進行分析，并根據(jù)DL/T 940—2005《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》等相關標準對管道剩余壽命進行評估。

1 材料和試驗

該管道規(guī)格為Φ324×39.2mm，材質為P22，實際使用溫度515℃，實際使用壓力11.7MPa，設計最高溫度553℃，設計最高壓力13.73MPa 。依據(jù)相關標準，對管道材料分別進行了化學成分、常溫拉伸、高溫拉伸、硬度和夏比沖擊等力學性能測試試驗，對材料微觀組織進行了分析。

2 理化性能分析

2.1 化學成分

根據(jù)GB/T 20123—2006和GB/T 20125—2006對管道進行成分分析，化學成分符合標準ASTM A335/A335M的要求。

2.2 拉伸性能

沿管道的軸向制取3個拉伸試樣，根據(jù)GB/T 228.1—2010進行室溫拉伸試驗，拉伸試驗測試結果見表2。抗拉強度最低為534MPa，規(guī)定塑性延伸強度最低為338MPa，最低伸長率27.0，均滿足標準ASTM A335/A335M的要求。

沿管道的軸向制取兩個高溫拉伸試樣，根據(jù)GB/T 228.2—2015進行高溫拉伸試驗，試驗測試結果見表1。P22對應國內(nèi)牌號為12Cr2MoG，GB 5310—2008中對12Cr2MoG的高溫拉伸要求為500℃下Rp0.2≥173MPa，550℃下Rp0.2≥159MPa，520℃、530℃下的高溫拉伸性能均滿足標準GB 5310—2008的要求。

2.3 沖擊性能

根據(jù)GB/T 229—2007，對母材的沖擊韌性進行測試，以評價其斷裂韌性是否滿足要求。由焊縫金屬的夏比沖擊吸收功測試結果可知，母材的沖擊韌性較好，在室溫和0℃下的沖擊吸收能量均在120J以上。ASTM A335/A335M對P22的沖擊性能沒有具體要求，GB 5310—2008中對其相似牌號12Cr2MoG的沖擊要求為縱向≥40J，橫向≥27J，試驗結果符合標準要求。

2.4 硬度

根據(jù)GB/T 2654—2008進行硬度試驗，表2為焊接接頭的硬度測試結果，在焊縫橫截面的上表面和下表面分別沿著兩條線測試硬度，測試位置如圖1所示。焊縫金屬和近縫區(qū)的硬度較高。

3 金相組織

在管段環(huán)焊接頭上制取焊縫橫截面金相試樣，對金相試樣進行觀察分析。焊縫宏觀金相顯示無裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷。

母材的金相組織為貝氏體+少量鐵素體，管道在高溫下服役已經(jīng)發(fā)生了一定程度的組織球化，貝氏體區(qū)域仍然存在，方向性開始消失，雖然仍保留原有的區(qū)域形態(tài)，但內(nèi)部的碳化物開始往晶界析出，發(fā)生分散球化，球化組織級別為2級傾向性球化。

4 壁厚校核

按GB/T9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》計算管道的理論壁厚，管道的壁厚最小值不低于23.66mm，管道壁厚滿足最小值要求。

5 剩余壽命分析

查閱已有的資料，根據(jù)P22（10CrMo910）L-M曲線，可得管道使用壽命為457088h。管道自1994年9月建成至今已運行203670h，則在不考慮其他材料損傷和失效模式的情況下，該管道基于高溫蠕變的剩余壽命為253418h。通過對樣管進行拉伸、沖擊、硬度和微觀組織等試驗，樣管的各項力學性能仍滿足標準要求，組織球化級別為2級傾向性球化，在材質損傷老化的基礎上，取經(jīng)驗安全系數(shù)為1.8，則剩余壽命為140787h，即16年。

結語

（1）鋼管的性能檢測結果較好。

（2）母材的金相組織為貝氏體+少量鐵素體，管道材料球化組織級別為2級傾向性球化。

（3）經(jīng)壁厚核算，在服役工況下管道最小壁厚為23.66mm，樣管壁厚滿足最小壁厚要求。

（4）鋼管材料組織性能良好，未發(fā)生較嚴重的老化，在目前的工況不變的情況下（包括服役溫度、運行壓力等參數(shù)）剩余壽命為16年。由于實際材料的性能波動以及現(xiàn)場服役過程中各種不確定因素的影響，剩余壽命評估結果僅供參考。

參考文獻

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