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.滄州華潤熱電有限公司,河北 滄州 061001;2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

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

某電廠1號爐型號為B&WB-1025/17.5-M,亞臨界參數、一次中間再熱,固態(tài)排渣,單爐膛平衡通風,半露天布置,全懸吊結構,單鍋筒自然循環(huán)。其主要性能參數如下:額定蒸發(fā)量為1 025 t/h,過熱器出口壓力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,到2019年鍋爐內部定期檢驗時已運行8萬多h。該機組采用P91鋼作為主蒸汽管道的用材,在本次鍋爐內部定期檢驗抽查過程中發(fā)現(xiàn)2個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,材質為P91鋼,彎頭現(xiàn)場檢測可知3號彎頭布氏硬度152、7號彎頭布氏硬度155。DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定P91鋼管件的布氏硬度應控制在180～250。所檢2個異常彎頭硬度低于標準要求,因為現(xiàn)場硬度檢驗采用的是里氏硬度計,考慮可能存在偏差,對該2個彎頭進行了金相檢驗,異常組織金相組織見圖1。

由金相檢驗結果可知2個彎頭均存在大量的塊狀組織,僅見少量板條馬氏體組織,均屬于異常組織。

圖1 現(xiàn)場金相檢驗結果(200×)

2 取樣試驗

2.1 化學成分分析

對3號彎頭試樣進行化學成分檢測,試驗結果見表1,化學成分滿足標準ASME SA335-2018《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》要求。

表1 化學成分分析 %

為了研究該低硬度P91鋼主蒸汽管道彎頭組織性能,對3號彎頭正背弧處取樣進行試驗分析。

2.2 金相檢驗

對3號彎頭試樣進行壁厚方向上金相檢驗,檢驗結果見圖2。根據檢驗結果可知在異常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,內外表面組織無明顯差異。通過仔細觀察非馬氏體區(qū)域,可見粒狀物在晶內和晶界明顯長大。進一步使用顯微硬度計對板條馬氏體區(qū)域和非馬氏體區(qū)域進行測試,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號彎頭金相檢驗

2.3 力學性能試驗

對3號彎頭試樣進行常溫力學拉伸試驗,試驗結果見表2,由試驗結果可知,拉伸試驗結果屈服強度低于標準要求,抗拉強度達到ASME SA335-2018《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》要求的下限。

表2 拉伸試驗結果

3 原因分析

P91鋼的強化機理除彌散析出強化外,更以固溶強化、馬氏體強化、細晶界面強化、位錯強化等復合強化使得鋼獲得良好的熱強性。通過嚴格限制損害塑性和韌性的雜質元素以及Nb、V等元素的微合金化和形變熱處理工藝,獲得極為細密的回火馬氏體[2]。

P91鋼低碳馬氏體強化,固溶強化、位錯強化、細晶強化及二次相彌散強化等多種強化方式實現(xiàn)是在化學成分合格的基礎上,依賴正確的制備工藝實現(xiàn)的,如其精確的溫度控制和反復控軋以最終熱處理。

彎管是在直管合格基礎上通過再次加熱彎管,再進行整體熱處理完成[3-4]。彎管時的加熱和冷卻會產生組織和內部應力的變化,后續(xù)的整體熱處理是為了恢復正常的組織。當正火溫度過高時,特別是超過1 100℃時晶粒長大速度會很快,當正火溫度低于950℃時,有些組織未被熔入奧氏體,冷卻時會形成不均勻的組織。另外正火時的冷卻速度也很關鍵,當冷卻速度過慢時,奧氏體無法轉化成馬氏體,而是以鐵素體和碳化物的形式存留下來,這樣的組織硬度低、強度也低,不能滿足使用要求。

非正常的P91鋼金相組織主要表現(xiàn)為以下幾個方面:組織中未見馬氏體;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,問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。

由于國內早期彎管廠家對P91鋼材料認識不足,工藝控制不當,出現(xiàn)了大量的制造缺陷,在機組的安全性能檢驗及運行監(jiān)督過程中,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,現(xiàn)場只能采用測試硬度和抽查金相組織的方法進行檢驗。本次檢驗出的2個P91鋼異常彎頭其硬度值低于標準要求,其金相組織為鐵素體、碳化物、馬氏體混合物,馬氏體有明顯的團塊區(qū)域特點,彎管正火中溫度不足,冷卻速度過慢,未奧氏體化的組織保存下來,形成回火的馬氏體,當溫度過高時全部奧氏體化,冷卻速度過慢時不會有馬氏體團塊出現(xiàn),因此推斷為彎管正火時溫度不足,其粗大的組織是繼承的原始直管的組織。因此認為彎管熱處理時,存在爐溫失控、冷卻不當等問題,正火和回火工藝未能夠規(guī)范實施,從而導致形成不正常的組織和較低的性能。

4 結論及建議

經對異常彎頭取樣分析可知,P91彎頭化學成分合格,金相組織僅見少量馬氏體板條,組織粒子長大明顯,內外壁組織相差不大,常溫屈服強度低于標準要求。經分析認為硬度偏低、金相異常彎頭是由于在制造加工過程中熱處理工藝不當造成的。對硬度偏低組織異常P91彎頭建議更換處理,或重新進行正火和回火處理。