低硬度P91鋼主蒸汽管道彎頭組織性能分析

苑振平,李文彬

(1.滄州華潤(rùn)熱電有限公司,河北 滄州 061001;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

主蒸汽管道的檢驗(yàn)和監(jiān)督對(duì)保障機(jī)組的長(zhǎng)期安全運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。P91鋼以其良好的熱強(qiáng)性能、焊接性能和工藝性能以及對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂不敏感和生產(chǎn)成本低等特性,已成為我國(guó)火電機(jī)組的主力鋼種之一[1],我國(guó)幾乎所有新建亞臨界、超臨界機(jī)組都采用P91鋼作為主蒸汽管道等重要高溫承壓部件。

某電廠1號(hào)爐型號(hào)為B&WB-1025/17.5-M,亞臨界參數(shù)、一次中間再熱,固態(tài)排渣,單爐膛平衡通風(fēng),半露天布置,全懸吊結(jié)構(gòu),單鍋筒自然循環(huán)。其主要性能參數(shù)如下:額定蒸發(fā)量為1 025 t/h,過(guò)熱器出口壓力17.5 MPa,再熱器出口壓力3.55 MPa,汽包工作壓力為18.75 MPa,過(guò)熱器出口溫度為540℃,再熱器出口溫度540℃,給水溫度為279℃,2009年6月投產(chǎn),到2019年鍋爐內(nèi)部定期檢驗(yàn)時(shí)已運(yùn)行8萬(wàn)多h。該機(jī)組采用P91鋼作為主蒸汽管道的用材,在本次鍋爐內(nèi)部定期檢驗(yàn)抽查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2個(gè)彎頭背弧處硬度及組織異常。

1 異常彎頭概況

異常彎頭規(guī)格為ID 273.05×31 mm,材質(zhì)為P91鋼,彎頭現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可知3號(hào)彎頭布氏硬度152、7號(hào)彎頭布氏硬度155。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定P91鋼管件的布氏硬度應(yīng)控制在180～250。所檢2個(gè)異常彎頭硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)硬度檢驗(yàn)采用的是里氏硬度計(jì),考慮可能存在偏差,對(duì)該2個(gè)彎頭進(jìn)行了金相檢驗(yàn),異常組織金相組織見(jiàn)圖1。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知2個(gè)彎頭均存在大量的塊狀組織,僅見(jiàn)少量板條馬氏體組織,均屬于異常組織。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)結(jié)果(200×)

2 取樣試驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)3號(hào)彎頭試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)ASME SA335-2018《高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼管》要求。

表1 化學(xué)成分分析 %

為了研究該低硬度P91鋼主蒸汽管道彎頭組織性能,對(duì)3號(hào)彎頭正背弧處取樣進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)3號(hào)彎頭試樣進(jìn)行壁厚方向上金相檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果可知在異常P91鋼彎頭背弧壁厚方向上近外表面和近外表面組織均為白色塊狀鐵素體組織和黑色塊珠光體狀組織及少量板條馬氏體組織,內(nèi)外表面組織無(wú)明顯差異。通過(guò)仔細(xì)觀察非馬氏體區(qū)域,可見(jiàn)粒狀物在晶內(nèi)和晶界明顯長(zhǎng)大。進(jìn)一步使用顯微硬度計(jì)對(duì)板條馬氏體區(qū)域和非馬氏體區(qū)域進(jìn)行測(cè)試,馬氏體區(qū)域維氏硬度為195,換算為布氏硬度約為185,非馬氏體區(qū)域維氏硬度為165,換算為布氏硬度約為157。

圖2 3號(hào)彎頭金相檢驗(yàn)

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)3號(hào)彎頭試樣進(jìn)行常溫力學(xué)拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2,由試驗(yàn)結(jié)果可知,拉伸試驗(yàn)結(jié)果屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求,抗拉強(qiáng)度達(dá)到ASME SA335-2018《高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼管》要求的下限。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 原因分析

P91鋼的強(qiáng)化機(jī)理除彌散析出強(qiáng)化外,更以固溶強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化、細(xì)晶界面強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等復(fù)合強(qiáng)化使得鋼獲得良好的熱強(qiáng)性。通過(guò)嚴(yán)格限制損害塑性和韌性的雜質(zhì)元素以及Nb、V等元素的微合金化和形變熱處理工藝,獲得極為細(xì)密的回火馬氏體[2]。

P91鋼低碳馬氏體強(qiáng)化,固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化及二次相彌散強(qiáng)化等多種強(qiáng)化方式實(shí)現(xiàn)是在化學(xué)成分合格的基礎(chǔ)上,依賴正確的制備工藝實(shí)現(xiàn)的,如其精確的溫度控制和反復(fù)控軋以最終熱處理。

彎管是在直管合格基礎(chǔ)上通過(guò)再次加熱彎管,再進(jìn)行整體熱處理完成[3-4]。彎管時(shí)的加熱和冷卻會(huì)產(chǎn)生組織和內(nèi)部應(yīng)力的變化,后續(xù)的整體熱處理是為了恢復(fù)正常的組織。當(dāng)正火溫度過(guò)高時(shí),特別是超過(guò)1 100℃時(shí)晶粒長(zhǎng)大速度會(huì)很快,當(dāng)正火溫度低于950℃時(shí),有些組織未被熔入奧氏體,冷卻時(shí)會(huì)形成不均勻的組織。另外正火時(shí)的冷卻速度也很關(guān)鍵,當(dāng)冷卻速度過(guò)慢時(shí),奧氏體無(wú)法轉(zhuǎn)化成馬氏體,而是以鐵素體和碳化物的形式存留下來(lái),這樣的組織硬度低、強(qiáng)度也低,不能滿足使用要求。

非正常的P91鋼金相組織主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:組織中未見(jiàn)馬氏體;組織不均勻,有白色塊狀組織;組織中存在粗大的位向差很大的馬氏體板條;組織晶粒大小不均。同時(shí),問(wèn)題組織伴隨著性能的惡化,總體表現(xiàn)為硬度偏低,最低可達(dá)HB 117,大多為HB 130～170。其中,以等軸形貌非馬氏體組織的硬度最低。

由于國(guó)內(nèi)早期彎管廠家對(duì)P91鋼材料認(rèn)識(shí)不足,工藝控制不當(dāng),出現(xiàn)了大量的制造缺陷,在機(jī)組的安全性能檢驗(yàn)及運(yùn)行監(jiān)督過(guò)程中,P91鋼管材及管件等硬度偏低和原始組織不正常頻繁發(fā)生。P91鋼的組織和性能與熱處理工藝密切相關(guān),現(xiàn)場(chǎng)只能采用測(cè)試硬度和抽查金相組織的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。本次檢驗(yàn)出的2個(gè)P91鋼異常彎頭其硬度值低于標(biāo)準(zhǔn)要求,其金相組織為鐵素體、碳化物、馬氏體混合物,馬氏體有明顯的團(tuán)塊區(qū)域特點(diǎn),彎管正火中溫度不足,冷卻速度過(guò)慢,未奧氏體化的組織保存下來(lái),形成回火的馬氏體,當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)全部奧氏體化,冷卻速度過(guò)慢時(shí)不會(huì)有馬氏體團(tuán)塊出現(xiàn),因此推斷為彎管正火時(shí)溫度不足,其粗大的組織是繼承的原始直管的組織。因此認(rèn)為彎管熱處理時(shí),存在爐溫失控、冷卻不當(dāng)?shù)葐?wèn)題,正火和回火工藝未能夠規(guī)范實(shí)施,從而導(dǎo)致形成不正常的組織和較低的性能。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)對(duì)異常彎頭取樣分析可知,P91彎頭化學(xué)成分合格,金相組織僅見(jiàn)少量馬氏體板條,組織粒子長(zhǎng)大明顯,內(nèi)外壁組織相差不大,常溫屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)分析認(rèn)為硬度偏低、金相異常彎頭是由于在制造加工過(guò)程中熱處理工藝不當(dāng)造成的。對(duì)硬度偏低組織異常P91彎頭建議更換處理,或重新進(jìn)行正火和回火處理。