蒸汽管道5級球化原因及其壽命評估

李曉威, 成 雷, 白學剛, 杜晨陽

(中國特種設備檢測研究院, 北京 100029)

在某蒸汽管道的檢修過程中，發現其母材存在5級球化。為了查明其球化原因并分析其力學性能，筆者采用金相檢驗、硬度測試、高溫拉伸試驗及常溫沖擊試驗等方法對該球化管道進行分析，用管道壽命評價方法對球化管道進行綜合評價，以判定管道是否可繼續使用。

在該蒸汽管道上分別截取1#，2#管道，1#管道的投入使用日期為1994年，2#管道的投入使用日期為2000年，材料均為P11鋼。

1 理化檢驗

1.1 金相檢驗

分別截取1#管道及2#管道上的一部分，沿厚度方向進行金相檢驗。將截面6等分后，取7個點進行觀察，以了解沿厚度方向球化等級的變化，1#管道的顯微組織如圖1所示，其中近外壁和近內壁均約3 mm。

由圖1可知，在近外壁和近內壁處，幾乎已經看不到黑色的珠光體組織，整體球化級別達到了5級，而中間部分的珠光體區域已顯著分散，但是仍保留了原有的區域形態，邊界線變得模糊，晶界上顆粒狀的碳化物增多、增大，且呈小球狀分布。

圖1 1#管道的顯微組織

經過金相檢驗，可知2#管道的顯微組織與1#管道類似，只是中間部分球化級別稍微高于1#管道。1#，2#管道的球化等級如表1所示。

由表1可知，兩個試樣均未出現整體球化為5級的情況，只是在近內、外壁存在球化5級的情況，中間部分的球化級別要低于近內、外壁的球化級別。

表1 1#，2#管道的球化等級 級

1.2 硬度測試

沿厚度方向分別截取1#，2#管道的一部分，分別取3個點進行硬度測試，測試結果如表2所示。由表2可知，2#管道的硬度要小于1#管道的硬度，可見隨著球化級別的升高，硬度降低。

表2 1#，2#管道的硬度測試結果 HB

根據DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》附錄C，P11鋼的硬度為130～197 HB，所以1#管道的硬度滿足要求，2#管道的硬度偏低。

1.3 高溫拉伸試驗

為了掌握球化管道高溫力學性能下降的情況，對1#，2#管道進行高溫(溫度為520 ℃)拉伸試驗，參照標準GB/T 228.2—2015 《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》進行試驗,保溫20 min，結果如表3所示。

表3 1#，2#管道的高溫拉伸試驗結果

由表3可知：2#管道的屈服強度、抗拉強度以及斷后伸長率都要小于1#管道。為了確定高溫拉伸試驗結果是否滿足要求，查閱ASME標準,采用插值法求得P11鋼在520 ℃時的屈服強度下限為133 MPa，抗拉強度為353.4 MPa。對比表3中的數據，可知2#管道的屈服強度滿足要求，而抗拉強度都有不同程度的下降，其中1#管道的抗拉強度下降約11%，2#管道的抗拉強度下降約28%。

1.4 常溫沖擊試驗

采用夏比缺口沖擊試驗方法進行常溫沖擊試驗，在1#，2#管道上分別截取規格(長×寬×高)為10 mm×10 mm×55 mm的試樣，試樣加工V型缺口，溫度為20 ℃，結果如表4所示。

表4 1#，2#管道的常溫沖擊試驗結果 J

由表4可知：2#管道的沖擊吸收能量要遠大于1#管道，說明2#管道的沖擊韌性要好于1#管道，這也說明隨著球化級別的上升，其抗拉強度和屈服強度下降，韌塑性上升。

2 管道壽命評價

球化損傷機理導致的主要失效模式包括以下兩個方面：① 球化損傷引起的材料瞬時高溫強度下降導致的短期塑性斷裂失效；② 球化損傷引起的材料持久強度下降導致的長期塑性斷裂失效。

針對材料瞬時高溫強度下降導致的短期塑性斷裂失效，采用有限元分析方法確定管道系統在操作載荷作用下的規范應力(軸力)、含損傷材料的性能，以及基于合于使用原則確認操作載荷作用下各管道上的規范應力是否超過含損傷材料的許用應力。

針對材料持久強度下降導致的長期塑性斷裂失效，采用有限元分析方法確定管道系統在持續載荷作用下的規范應力(軸力)，并通過相應計算公式確定出含損傷結構的剩余壽命。

2.1 管道應力計算結果

對管道建模并進行有限元分析，根據其結構特點，管道壁厚按設計壁厚進行建模。載荷工況分別考慮操作載荷作用條件和持續載荷作用條件，參數選取時考慮保溫層、管道、介質質量的影響，同時根據管道現場實際工作情況以及設計圖中的標注內容，確定整個管道上各處的支吊架型式，管道應力計算結果如表5所示。

表5 管道應力計算結果 MPa

2.2 基于短期失效模式的管道壽命評價

對于球化損傷引起的材料高溫強度下降導致的短期塑性斷裂失效，其主要發生的是瞬時失效。由于操作載荷的高溫瞬時作用，基于合于使用的原則，要求該時刻的應力水平小于含損傷材料的高溫抗拉強度，因此只需將割管的高溫拉伸試驗數據與管道應力計算得到的操作載荷管道軸向應力進行對比即可。

1#管道高溫拉伸試驗的屈服強度均高于管道應力分析所得的操作載荷管道軸向應力，所以1#管道不會發生短期失效。同理可得，2#管道也不會發生短期失效。

2.3 基于長期失效模式的管道壽命評價

對于珠光體球化損傷引起的材料高溫持久強度下降導致的長期塑性斷裂失效，其存在剩余壽命的問題。

P11鋼為1.25Cr～0.5Mo低合金鉻鉬鋼，目前并沒有其含珠光體條件下的高溫持久強度數據，在DL/T 787—2001 《火電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》中可以找到國產材料15CrMo鋼在550 ℃時的各級損傷條件下的測試數據[1]，與國產材料15CrMo鋼相比，進口材料P11鋼的Cr元素含量較高，相同損傷條件下P11鋼應具有更高的高溫持久數據，所以可以保守地選用DL/T 787—2001標準中15CrMo鋼的數據進行計算。

首先，楊瑞成[1-3]等研究了15CrMo鋼在不同應力水平下確定出的Larson-Miller公式中參數P的回歸公式，即

P=28 384.06-4 136.19lgσ

(1)

式中：P為溫度-時間綜合參數；σ為應力。

將DL/T 787—2001附錄E中15CrMo鋼在550 ℃時各級損傷條件下的高溫持久強度作為應力，代入回歸公式中，確定不同損傷級別下的參數P。

Larson-Miller公式中參數P與溫度T、持久壽命Tr和參數C的關系式為

P=T(C+lgTr)

(2)

式中：T為823 K；Tr取105h。

從而分別確定不同損傷級別下的參數C。

最后，根據管道預期使用的溫度、持續載荷作用下有限元分析得到的規范應力和管道珠光體損傷等級，先根據回歸公式(1)計算出持續載荷作用下有限元分析得到的規范應力作用下的參數P，再根據公式(2)進行反算求出Tr。

依據上述計算結果，并考慮不確定因素的影響，對剩余壽命取2倍的安全系數，確定出最后各管道的可運行時間，最大可運行時間取為10 a和上述計算結果間的最小值。1#，2#管道壽命評價結果如表6所示。

表6 1#，2#管道壽命評價結果

3 綜合分析

3.1 管道5級球化原因

根據現場檢驗的實際情況發現，主要在管道母材上發生5級球化，這可能是管道熱處理造成的。在制造管道的過程中，熱處理為內外同時加熱的方式，即內部采用加熱棒，外部采用加熱片，相較于爐內整體加熱方式，這種加熱方式很難保證管道內部受熱均勻。由于管道壁厚較大，若想中部溫度達到熱處理要求的溫度，內外表面加熱溫度就要高于熱處理要求的溫度，即內外壁的受熱溫度要高于中部區域，故在熱處理時，管道內外壁已產生表面球化。

3.2 球化損傷的檢驗處理

對于檢驗中發現的5級球化損傷管道，通常會判定為不合格，而無法繼續使用，但是對于上述管道及日常檢驗中遇到的情況，管道存在表面(內外)球化級別高于內部球化級別的情況，即非整體5級球化。對這部分管道，需結合球化損傷程度及必要的試驗數據來確定是否能滿足繼續使用的要求。對高溫管道的球化損傷判定可從以下幾個方面入手。

(1) 增加管道出廠、入庫的金相檢驗抽查，熱處理可能會造成管件出廠時的表面5級球化現象。

(2) 增加高溫管道的定期金相檢驗抽查次數，為管道的球化損傷進程提供數據支撐，也可為高溫管線的壽命預測提供數據支持。

(3) 檢驗中發現5級球化時，可以先不急于判廢，采用將表面打磨到一定深度后進行金相復驗的方法來測定5級球化損傷的深度，分析材料橫截面球化級別的變化情況。

4 結語

上述兩條管道均可以繼續使用，但是鑒于管道投入使用時間較長，建議適當縮短檢驗周期，同時加強管道的日常管理維護。