火電廠蒸汽母管材料老化典型案例分析

（泰安市特種設備檢驗研究院 泰安 271000）

近年來，熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐以及企業(yè)自備電站鍋爐蒸汽管道發(fā)生多次事故，對國家和社會造成較大的經(jīng)濟損失和社會影響。為此，市場監(jiān)管總局于2018年7月2日下發(fā)《關于開展電站鍋爐范圍內(nèi)管道隱患排查整治的通知》（市監(jiān)特函515號文）。本文重點對檢驗中發(fā)現(xiàn)的電廠蒸汽母管材質(zhì)老化現(xiàn)象進行分析并提出相應處理措施。

1 情況概述

熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐以及企業(yè)自備電站鍋爐多為高溫、高壓及以下鍋爐，其蒸汽母管一般選用碳鋼或低合金鋼材料。很多機組運行時間已達10萬小時以上，在長期高溫高壓下運行，蒸汽母管材料呈現(xiàn)出不同程度的珠光體球化或石墨化等老化現(xiàn)象。但目前對材料老化程度的監(jiān)督還存在以下問題：

1）多數(shù)電廠檢測力量不足、檢測設備缺乏，且長期不間斷運行，造成金屬檢測技術不到位，甚至做不到，無法對材料老化程度做出足夠的判斷。

2）個別電廠會委托相關檢測公司特別是無損檢測公司進行金相檢查。很多檢測公司人員業(yè)務能力參差不齊，有些只是經(jīng)過簡單的培訓就上崗，難以對金相組織做出準確判斷。

針對上述情況，依據(jù)TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規(guī)則》及市監(jiān)特函［2018］515號文件要求，本次排查中重點對電廠蒸汽母管進行了金相分析，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）同等材料運行時間越長，老化程度越嚴重。

2）同等材料使用溫度越高，老化程度越快。

3）同一管道，流速快的位置比流速慢的位置或者管道盲端老化程度嚴重。

4）三通、彎頭（管）背弧面等部位及焊縫熱影響區(qū)比直管段老化程度嚴重。

5）運行10萬小時以上的蒸汽母管中近50%的管道局部出現(xiàn)嚴重的珠光體球化現(xiàn)象（達5級），部分碳鋼管道甚至已經(jīng)石墨化。這些材料老化現(xiàn)象，對母管安全運行造成很大的隱患。

2 典型案例及分析

金屬材料是火力發(fā)電廠機械設備的重要材料， 各類金屬材料都有一個共性：在高溫、高壓力的惡劣條件下長期運行時， 金屬的性能與室溫性能差別很大。主要是因為金屬內(nèi)部的組織發(fā)生很大的變化， 比如珠光體球化、石墨化、合金中碳化物的數(shù)量和結構發(fā)生變化等[1]。現(xiàn)就檢驗中發(fā)現(xiàn)的金屬材料珠光體球化、石墨化等案例進行具體分析。

2.1 12Cr1MoV鋼珠光體球化分析

●2.1.1 資料查閱

某熱電聯(lián)產(chǎn)電廠蒸汽母管投運日期2002年3月，設計材質(zhì)12Cr1MoVG， 管道規(guī)格φ273mm×18mm，運行溫度540 ℃，壓力9.8 MPa，累計運行15萬小時。

●2.1.2 檢驗情況及分析

1）檢驗情況。對蒸汽母管一處彎管背弧面進行金相分析，參照DL／T 773—2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》，珠光體球化達5級，組織中珠光體區(qū)域形態(tài)已完全消失，粒狀碳化物沿晶界呈鏈狀分布，出現(xiàn)雙晶界現(xiàn)象，金相組織見圖1。在彎管水平直段處，珠光體球化3級，金相組織見圖2。

對彎管背弧面及其水平直段處進行硬度檢測，每處測5點取平均值，硬度值見表1。

2）原因分析及影響。12Cr1MoV鋼基本組織是珠光體+鐵素體組織，其中珠光體是鐵素體與滲碳體相互間夾組成的片狀混合物。由于片狀碳化物比表面積相較于球狀碳化物比表面積大，片狀碳化物的表面自由能大于球狀碳化物的表面自由能。由能量最低原理可知，“能量越低，越穩(wěn)定”，片狀碳化物的組織不穩(wěn)定，會通過組織結構轉變來降低其能量[2]。在高溫下運行時，原子活動能力增強，擴散速率加快，片狀滲碳體便逐漸轉變?yōu)榱睿俜e聚成大球團，造成珠光體球化，如圖3所示。

圖1 彎管背弧面金相組織圖 ×500

圖2 彎管水平段金相組織圖 ×500

表1 硬度測量值

由金相分析及硬度檢測結果可見，彎管背弧面老化程度比直段更嚴重。主要在于彎管煨制加熱時，由于中頻感應加熱的“集膚效應”，造成管壁存在溫度梯度，溫差較大，背弧面珠光體分布不均勻，合金元素分布不均勻， 組織穩(wěn)定性降低，珠光體易于分解。經(jīng)長時間高溫運行后，組織中原珠光體形態(tài)已完全消失，絕大部分碳化物分布在鐵素體晶界上，在鐵素體晶界上可觀察到雙晶界現(xiàn)象[3]。導致材料的硬度、屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降，由表1可見，彎管背弧面硬度下降嚴重，低于GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》及DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》中12Cr1MoVG鋼管硬度指標（135～195HB）下限要求。試驗表明，12Cr1MoVG鋼珠光體球化5級后，力學性能大幅降低，見表2[4]。

圖3 珠光體球化示意圖

表2 12Cr1MoVG鋼鐵素體加珠光體球化級別對應的力學性能(平均值)

依據(jù)DL/T 940—2005《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》及DL/T 654—2009《火力機組壽命評估技術導則》，采用L-M參數(shù)方程對彎管進行剩余壽命評估，其剩余壽命約2511h，基于安全運行及經(jīng)濟考慮，使用單位對其割除更換。

此類球化嚴重的管道高溫高壓下使用，材料性能降低，嚴重時會導致管道爆裂，對電廠設備安全運行造成很大的威脅，使用單位應及時做好管道的金屬技術監(jiān)督及定期檢驗，對管道進行剩余壽命評估，必要時更換管道，避免安全事故的發(fā)生。

2.2 20G碳鋼珠光體球化及石墨化分析

●2.2.1 資料查閱

某熱電聯(lián)產(chǎn)電廠蒸汽母管投運日期1990年2月，設計材質(zhì)20G，管道規(guī)格φ273mm×11mm，運行溫度440～450℃，壓力3.82 MPa，累計運行17萬h。

●2.2.2 檢驗情況及分析

1）檢驗情況。母管一處三通位置，宏觀檢驗發(fā)現(xiàn)存在鼓脹現(xiàn)象，如圖4所示。對其進行金相分析，參照DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》以及DL/T 786—2001《碳鋼石墨化檢驗及評級標準》，珠光體球化達5級，石墨化程度達2.5級。組織中珠光體形態(tài)消失，石墨球較大，局部石墨球呈鏈狀分布，部分石墨球存在連續(xù)性分布，石墨化介于2級～3級之間，金相組織見圖5。

圖4 三通外觀圖

圖5 三通金相組織 ×500

對三通母材進行硬度檢測，每處測5點取平均值，硬度值見表3。可見硬度也明顯下降，低于標準及規(guī)程中20G管件硬度指標（106～160 HB）下限要求。

2）原因分析及影響。碳鋼材料珠光體球化機理與合金鋼材料相似，上文已進行了闡述，20#鋼球化級別對應的力學性能見表4[5]。可見珠光體球化5級后，力學性能已降低了很多。

表3 三通母材硬度測量值

表4 20#鋼球化級別與其常溫性能的相應數(shù)據(jù)(平均值)

由于碳鋼材料中沒有合金元素的固溶強化、沉淀強化、彌散強化等因素，珠光體中的滲碳體作為亞穩(wěn)相，復雜的斜方結構，在長期高溫的作用下分解，如下式：

Fe3C→3Fe+C （石墨）

滲碳體分解出游離態(tài)的碳，并逐漸以石墨形式析出的現(xiàn)象稱為石墨化，在高溫（T≥350℃）下長期服役的碳鋼部件均有可能產(chǎn)生，溫度越高，石墨化速度越快[6]。游離態(tài)的碳不斷擴散、聚集，形成粗大連續(xù)的石墨鏈，割裂了基體的連續(xù)性，起了裂紋的作用，造成鋼材內(nèi)部應力集中，強度低、塑性差，同時因石墨強度極低， 極易引起脆斷， 因此會嚴重影響管道的安全性能。

碳鋼管道珠光體球化和石墨化密切相關， 二者在相互重合的溫度范圍內(nèi)存在著競爭關系，試驗證明二者不是同步進行的[7]。

依據(jù)TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗規(guī)則》要求，當碳鋼部件石墨化程度達到4級以上時，應對相關部件及時安排更換。但涉及具體管道，還應充分考慮到珠光體球化與石墨化程度對材料性能的綜合影響，二者的共同影響下，加快了材料的蠕變，甚至導致管道爆裂。對該三通經(jīng)評估分析，為確保安全，使用單位進行割除更換。對于碳鋼材料剩余壽命評估可依據(jù)DL/T 940—2005及DL/T 654—2009，通過進一步的力學性能試驗，對管道可使用性做出準確的判斷，達不到要求時及時更換，確保設備安全運行。

3 結束語

通過本次排查，在管道結構、焊接質(zhì)量、材質(zhì)成分、硬度、金相組織、閥門等方面均發(fā)現(xiàn)了影響安全運行的一些隱患，特別是在材料老化方面尤為明顯。綜合以上案例分析，得出以下幾點啟示：

1）金屬材料在長期高溫高壓下運行，會出現(xiàn)不同程度老化現(xiàn)象，使材料力學性能降低，特別當老化嚴重時，會導致材料力學性能大幅下降，給設備安全運行造成威脅。

2）蒸汽母管各部位因原始組織、受力狀態(tài)、流速、溫度等的不同，老化程度也不一樣。金相抽查時，應特別關注易老化位置，如三通、彎管背弧面及焊縫熱影響區(qū)等薄弱部位。

3）火電廠應及時對設備進行金屬技術監(jiān)督及定期檢驗，準確掌握材料老化程度，必要時對其進行剩余壽命評估，確保電站鍋爐的安全運行。

4）金屬材料組織老化程度的判定與分析，需要具備較強的專業(yè)基礎和經(jīng)驗積累。金相分析人員應通過不斷培訓、學習及交流等方式，努力提高業(yè)務能力，對材料老化程度做出準確的判斷和分析，為材料性能研究及剩余壽命評估提供可靠的依據(jù)。