高溫蒸汽管道材質(zhì)檢驗(yàn)初探

王海林

（揚(yáng)子石化分公司熱電廠，江蘇 南京 210048）

管道發(fā)生珠光體球化不但影響管道材料的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服極限，還會(huì)使材料的蠕變極限和持久強(qiáng)度下降，從而影響管道的安全使用。某電廠高溫蒸汽管道于2008年開(kāi)工建設(shè)，管道全長(zhǎng)1860m。該管道的相關(guān)參數(shù)如下：管道規(guī)格為φ273×22，管道材質(zhì)為12Cr1MoVG，設(shè)計(jì)壓力為10MPa，設(shè)計(jì)溫度為540℃，運(yùn)行壓力為9.1～9.5Mpa，運(yùn)行溫度為525～540℃。該管道于近期進(jìn)行全面檢測(cè)，金相檢測(cè)抽查發(fā)現(xiàn)管道彎頭存在珠光體球化3.5級(jí)問(wèn)題，為分析彎頭材質(zhì)珠光體球化對(duì)管道繼續(xù)安全運(yùn)行的影響，確保該管道的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此，對(duì)該管道進(jìn)行了割管取樣，對(duì)樣件進(jìn)行了各項(xiàng)性能試驗(yàn)，為高溫蒸汽管道的安全使用提供判斷依據(jù)。

1 化學(xué)成分

依據(jù)GB/T 223-2008《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》及相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)送檢管進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣管成分檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 管道化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果

化學(xué)成分檢驗(yàn)表明：送檢高溫蒸汽管道化學(xué)成分滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 金相檢驗(yàn)

依據(jù)DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)送檢管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，該試驗(yàn)在金相顯微鏡蔡司“Axiover”200MAT下觀察，金相結(jié)果如表2所示，金相組織如圖1和圖2所示。

圖1 放大倍數(shù)200×金相組織

圖2 放大倍數(shù)500×金相組織

表2 金相檢驗(yàn)結(jié)果

金相檢驗(yàn)表明：送檢高溫蒸汽管道母材金相組織為鐵素體+珠光體，老化等級(jí)為3.5級(jí)。

3 硬度試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第 1部分：試驗(yàn)方法》，試樣表面經(jīng)金相砂紙磨光，并進(jìn)行拋光處理，采用全自動(dòng)布氏硬度計(jì)。測(cè)試設(shè)備為XHBT-3000ZⅢ全自動(dòng)布氏硬度計(jì)，試驗(yàn)條件：負(fù)荷187.5kg、負(fù)荷保持時(shí)間10s。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 硬度檢驗(yàn)結(jié)果

硬度試驗(yàn)表明：送檢高溫蒸汽管道母材硬度值滿足DL/T438-2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 拉伸試驗(yàn)

4.1 室溫拉伸

依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在AG-IC島津電子拉伸萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，屈服前加載應(yīng)變速率不高于0.00025/s，屈服后加載應(yīng)變速率不高于0.0067/s，條件屈服強(qiáng)度使用引伸計(jì)測(cè)定，采用φ10圓棒狀樣，縱向取樣，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

室溫拉伸表明：送檢高溫蒸汽管道室溫抗拉強(qiáng)度和室溫屈服強(qiáng)度滿足 GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 高溫拉伸

參照GB/T 228.2-2015《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，在MTS-880電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，屈服前加載位移速率介于0.0000167/s～0.000083/s，屈服后加載應(yīng)變速率介于0.00033/s～0.0033/s，采用圓棒狀試樣，條件屈服強(qiáng)度使用引伸計(jì)測(cè)定。拉伸試樣的加熱在試驗(yàn)機(jī)附屬的管式加熱爐中進(jìn)行，采用雙熱電偶測(cè)控溫度，一個(gè)熱電偶測(cè)控爐膛溫度，另一熱電偶靠近試樣放置，并以此熱電偶為準(zhǔn)進(jìn)行試樣溫度的測(cè)控，試驗(yàn)溫度選取540℃。采用φ10圓棒狀樣，縱向取樣，送檢管高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

高溫拉伸表明：送檢高溫蒸汽管道高溫屈服強(qiáng)度滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 室溫沖擊

材料的沖擊性能也是鍋爐高溫部件用金屬材料性能的必要保證條件之一。本次試驗(yàn)采用AMSLER RKP450沖擊試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 室溫沖擊功結(jié)果

室溫沖擊結(jié)果：送檢高溫蒸汽管道母材室溫沖擊功滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 韌脆轉(zhuǎn)變溫度

脆性轉(zhuǎn)變溫度是反映材料長(zhǎng)時(shí)高溫運(yùn)行脆化敏感性的一個(gè)重要指標(biāo)，脆性轉(zhuǎn)變溫度越高，材料的老化損傷就越嚴(yán)重，其性能下降（劣化）也就越明顯，而且常溫下的脆性也越大。

本次試驗(yàn)采用Zwick RKP 450沖擊試驗(yàn)機(jī)，對(duì)樣品段進(jìn)行了不同溫度下的系列沖擊試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定不同試驗(yàn)溫度下各試樣斷口的晶狀脆性斷面率（即脆性面積比）來(lái)繪制出脆性轉(zhuǎn)變溫度曲線（圖3），并以曲線上脆性面積比為50%的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 管道母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 管道母材韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線

7 設(shè)計(jì)壁厚校核

按照 DL/T 5054-2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于承受內(nèi)壓應(yīng)力的汽水管道，直管的最小壁厚如式（1）所示：

式中，Sm為直管的最小壁厚，mm；Do為管子公稱外徑，mm；Y為溫度對(duì)計(jì)算管道壁厚修正系數(shù)，對(duì)于鐵素體鋼，在538℃及以上時(shí)取0.7，在482℃及以下時(shí)取0.4；P為設(shè)計(jì)壓力，對(duì)于超臨界以下參數(shù)的機(jī)組，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)取用鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)對(duì)應(yīng)的過(guò)/再熱器出口額定工作壓力；C為考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度，對(duì)于一般的汽水管道，可不考慮腐蝕和磨損的影響；[σ]t為鋼材在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，12Cr1MoVG 在運(yùn)行溫度下的持久強(qiáng)度推薦值見(jiàn)GB/T 5310-2017，設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽額定溫度加上鍋爐正常運(yùn)行時(shí)允許的溫度偏差值，當(dāng)鍋爐制造廠未提供溫度偏差時(shí)，溫度偏差可取用5℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（1），得到管道最小允許壁厚，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8，經(jīng)計(jì)算，取樣管設(shè)計(jì)壁厚滿足DL/T 5054-2016 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 管道設(shè)計(jì)壁厚校核計(jì)算表

8 結(jié)語(yǔ)

（1）送檢管表面無(wú)明顯的裂紋、折疊、軋折、重皮、結(jié)疤、離層及尖銳劃痕等異常特征，宏觀尺寸規(guī)格滿足GB/T 5310-2017和DL/T 5054-2016設(shè)計(jì)要求，化學(xué)成分滿足GB/T 5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）送檢管顯微組織為鐵素體+珠光體，貝氏體區(qū)域內(nèi)的碳化物顯著分散，碳化物呈現(xiàn)球狀，部分碳化物析出分布于鐵素體晶界上，組織老化等級(jí)為3.5級(jí)，材料硬度滿足DL/T438-2016標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）送檢管室溫拉伸性能、高溫屈服性能與室溫沖擊性能均滿足GB5310-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲試驗(yàn)后試樣外表面無(wú)肉眼可見(jiàn)裂紋，韌脆轉(zhuǎn)變溫度FATT50=25℃。