高旁噴管F91材質異常分析及處理

徐 開 黃 群 王 松

1．上海上電漕涇發(fā)電有限公司;

2．上海明華電力科技有限公司

0 概述

某公司1 000MW機組高旁閥門進出口分別與主蒸汽管、再熱冷段蒸汽管相連，閥門進口材質為SA336-F92，進口設計溫度610℃，出口變徑管和噴管材質為SA182-F91，規(guī)格為Φ508mm×44mm，出口設計溫度528℃；冷再管道材質為A691 1-1/4Cr CL22，閥門噴管后管道經(jīng)過噴水調節(jié)閥減溫，連接冷再管道?，F(xiàn)場檢驗發(fā)現(xiàn)，返修備品噴管硬度值偏低，擴大檢查發(fā)現(xiàn)4只高旁噴管中有2只均存在類似情況。在此基礎上進行了現(xiàn)場金相、常溫和高溫拉伸等試驗，并對其軟化原因進行分析，采取對應措施。

1 材質性能檢驗

選擇硬度異常的高旁噴管進行取樣分析。高旁噴管安裝及結構如圖1所示。

圖1 高旁閥門及噴管（虛框內(nèi)）

1.1 光譜分析

采用直讀式光譜儀對高旁噴管進行化學成分檢驗，檢驗結果如表1所示。由表1可見，高旁噴管的化學成分滿足DL/T 869-2012《火力電廠焊接技術規(guī)程》對F91材料的要求。

1.2 硬度試驗

為了避免硬度檢測區(qū)域的偶然性，采用同型號的EQUOTIP BAMBINO2里氏硬度計對噴管外表面、內(nèi)表面及橫截面等多處進行硬度檢測，檢測硬度值約為145～150 HBHLD，低于DL/T 438-2016對F91的要求的下限值175HB[1]。

實際檢測中，9%Cr鋼里氏硬度，檢測值與實際值經(jīng)常有一定的差異[2-3]，因此DL/T 438-2016中要求，里氏硬度檢測結果異常時，宜采用便攜式布氏硬度計進行校核。

為了避免試驗儀器及試驗方法對硬度結果產(chǎn)生的影響，對硬度異常的高旁噴管取樣，并分別進行里氏硬度與布氏硬度檢測。試樣要求和測試方法按照GB/T 231．1-2009《金屬布氏硬度測試試驗》[4]第1部分：測試方法 和GB/T 17391．1-2014《金屬材料里氏硬度測試試驗》[5]第1部分的測試方法執(zhí)行，檢測結果如表2所示。由表2可以看出，經(jīng)便攜式布氏硬度計校核后的硬度值高于相同檢測條件下里氏硬度結果，但仍低于DL/T 438-2016對F91的要求的下限值175HB。

里氏硬度計轉換的布氏硬度值與實測布氏硬度值有一定的負偏差（約-10HB左右）。在滿足里氏硬度測試條件下（試樣的質量、厚度及表面處理等要求[5]）,偏差原因為硬度計換算關系不準確。里氏硬度計內(nèi)置里氏硬度與布氏硬度的換算曲線，但曲線是基于碳鋼和低合金鋼硬度數(shù)據(jù)，對于F91高合金鋼來說，存在一定的差異性，文獻[6]表明，差異性主要來自屈強比。因此，在用里氏硬度計測試9Cr%鋼時，考慮儀器帶來的偏差對測試數(shù)據(jù)進行修正校核。

1.3 拉伸試驗

在硬度試樣上取樣，分別進行常溫及高溫短時拉伸試驗，試樣規(guī)格為Ф10mm×長150mm。拉伸結果如表3和表4所示。

表1化學成分測試（wt%）

表2里氏轉換布氏硬度和實驗室布氏硬度結果

表3常溫短時力學性能

表4高溫短時力學性能

由表3和表4可見，硬度值偏低區(qū)域的試樣，常溫屈服強度和抗拉強度均低于ASME相關標準的要求，斷后伸長率滿足標準要求，屈強比在0．51～0．59區(qū)間。

高溫下（530℃和600℃）屈服強度也低于標準要求。其中600℃的性能指標屈服強度為198MPa，530℃下的屈服強度為278MPa（通過內(nèi)插法插值計算）。結果表明F91材料的試樣隨著硬度的降低，其強度也隨之下降，但其塑性指標有所提升。當試樣硬度值比下限值低15HB時，屈服強度相比標準要求最小值下降約25%，當硬度比下限值低20HB時，下降約33%。

“碳鋼和低合金鋼”里氏硬度與“高合金鋼”的差異來自屈強比。

1.4 金相組織試驗

圖2是高旁噴管低硬度區(qū)域的顯微組織形貌。從圖2可以看出，基體組織為回火馬氏體+鐵素體。組織內(nèi)雖然保持了一定的馬氏體板條形貌，但是卻發(fā)生了不同程度的鐵素體化（圖中箭頭所示），部分區(qū)域內(nèi)馬氏體位向比較模糊，主要以鐵素體組織存在。

圖2 （a）高旁噴管金相組織

圖2 (b)高旁噴管金相組織

2 噴管硬度偏低原因分析

通過對原始記錄、安裝記錄、現(xiàn)場焊縫、母材檢驗和運行專業(yè)了解：原始記錄檔案室無記錄，安裝記錄檢驗報告正常，現(xiàn)場連接管道和焊縫硬度、組織均正常；高旁閥后運行最高溫度350℃左右，鍋爐啟動時最高溫度為450℃，高旁閥后溫度超過380℃時，自動投減溫水，由此可以判定：噴管F91材料硬度偏低和組織異常是由F91制造過程中熱處理工藝不當造成的。

正常情況下，對于F91鍛件，熱處理需要經(jīng)歷正火和回火兩個階段，正火溫度范圍應為1 040℃～1 095℃，回火溫度不低于730℃?；鼗鸷笮纬删鶆虻陌鍡l馬氏體組織。從前文試驗結果看，造成噴管材質不良的原因是組織內(nèi)出現(xiàn)一定量的鐵素體，馬氏體板條結構不明顯。可以推斷，高旁噴管回火過程中回火溫度過高且保溫時間較長，碳含量過飽和的馬氏體板條在AC1以上溫度部分奧氏體化，析出的碳在晶界處偏析，成為回復再結晶的新核，使原細密均勻的馬氏體板條變得模糊；此外，參與奧氏體化的板條馬氏體碳含量降低，降溫過程緩慢[7]不足以形成板條馬氏體的過冷度，繼而形成強度硬度偏低的鐵素體，因此高旁噴管硬度強度降低，而塑性提高。

3 處理方案

考慮到噴管硬度和金相組織不符合要求，通常處理方法是在檢修期間進行更換或者回廠熱處理和安全性評估監(jiān)督運行。由于檢修計劃的因素，且該設備無備品，因此采用正火+回火的調質熱處理工藝消除異常[8]。工藝如下：正火升溫速度為125℃/h；1 050℃～1 068℃恒溫1h后空冷；馬氏體轉變溫度為100℃恒溫2h；回火升溫速度為140℃/h；恒溫750℃～760℃，恒溫3h后空冷，如圖3所示。

圖3 調質處理工藝

調質處理后，對噴管兩側、中間和內(nèi)壁進行硬度測試，抽檢2處進行金相試驗。平均硬度范圍為190HB～215HB，金相組織與F91正常組織相符，如圖4所示。并對管道和法蘭的變形情況進行測量，檢驗結果無變形，如圖5所示。

圖4 調質處理后金相組織

圖5 變形情況檢測

4 結論

(1)受監(jiān)范圍的金屬材料及部件在入庫、安裝前后應嚴格按相應的國內(nèi)外相關標準、行業(yè)標準的規(guī)定對其質量進行檢驗。

(2)噴管F91鍛件母材硬度偏低，與其回火溫度過高、保溫時間長有關，可以通過正火+回火處理。

(3)采用里氏硬度計檢測F91/P91，硬度值偏低應采用布氏硬度計進行校核，若無便攜式硬度計，應采用對比試驗進行修正。

(4)采用重新正火+回火（調質）處理恢復F91鋼的力學性能，是基于傳統(tǒng)馬氏體鋼的強化機理，而F91鋼采用該工藝處理后的高溫長期性能還缺乏系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)，尚需開展相關的試驗研究工作，并跟蹤現(xiàn)場管件運行過程中的組織性能演化情況。