P91 主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复.doc

优秀论文，值得下载！P91主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复崔雄华1作者简介：崔雄华（1973-），男，陕西户县人，高级工程师，硕士，从事火电厂金属部件失效分析与寿命评估方面的研究。E-mail：,郑坊平1，谢继旭2，唐丽英1，杨世原2，邹建新2（1. 西安热工研究院有限公司 陕西西安 710032；2. 国电成都金堂发电有限公司 四川成都 610400）摘 要：本文通过力学性能等常规试验和热处理试验对电厂锅炉的P91主蒸汽管道硬度偏低问题进行了分析与研究。试验结果表明，所取管段的外壁硬度和横截面上的硬度值都偏低而且分布不均匀，硬度偏低位置的室温和高温（545）抗拉强度及屈服强度均不符合ASME SA-335/SA-335M标准。对硬度偏低和硬度较高部位分别取样进行重新热处理试验，结果金相组织均正常，硬度值和拉伸性能均恢复到正常状态。可见重新热处理后的各项试验结果值均符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求。这表明参照规范的热处理工艺以及严格控制热处理各环节的质量，管道的硬度和拉伸性能可以恢复正常。关键词：主蒸汽管道；硬度；力学性能；热处理中图分类号：TG113 文献标识码：A 文章编号： 0 引言9Cr-1Mo-V-Nb-N钢（简称91钢，前冠P为大直径用厚壁管，前冠T为锅炉用小管，前冠F为锻件）属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，该钢不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而又稳定的持久塑性及热强性能13。由于这种钢具有许多优越的特殊性能，作为高温承压部件已在火力发电厂得到广泛应用，国内外专家学者对其性能有待于改进的方面也做了大量的试验研究，如焊接工艺性能46。国电成都金堂发电有限公司#1机组为600MW亚临界燃煤发电机组，B-MCR工况下过热蒸汽出口温度为541，出口压力为17.47MPa，该机组在安装前检验过程中发现部分主蒸汽管道局部硬度值偏低而且分布很不均匀。由于标准上未给出硬度值的下限值，但硬度与强度有着一定的对应关系，硬度偏低强度也就偏低，因此该批管道能否直接应用就存在了很大的疑问。该批主蒸汽管道是由德国曼尼斯曼公司制造生产，材质为P91，规格为ID34336mm。本文主要通过一些常规的力学性能等试验和热处理试验对管段局部硬度值偏低问题进行了试验分析并提出了有效的解决措施。1 试验方案由于管段的硬度值偏低而且分布很不均匀，课题组设计把管段沿圆周方向等间距每隔45共分为8个块料进行研究，如图1所示，每个块料依次标为45、90、135、180、0、-45、-90、-135。首先通过硬度试验选取硬度值最低的块料及硬度值较高的块料，然后进行室温拉伸、高温（545）拉伸、冲击、金相分析及重新热处理试验。管段外壁硬度测量采用美国产便携式HT1000型硬度计进行，管段横截面上硬度测量在HB3000型台式硬度计上进行；室温拉伸试验、高温(545)拉伸试验分别按照GB/T 228-20027、GB/T 4338-19958标准在MTS880型电液伺服试验机上进行；冲击试验按GB/T 229-19949标准在JBC300电子测力冲击试验机上进行；金相分析按照GB/T 13298-199110标准在OLYMPUS GX71型光学显微镜下进行；热处理试验在洛阳市永泰试验电炉厂制造的型号为KSS1600的电炉中进行。图1 标记8个角度位置的管段示意图Fig.1 Sketch map of pipe marked with 8 angles2 试验分析结果2.1 化学成分分析在管道上取样进行化学成分分析，分析结果列于表1。由表1可知，该管段样品化学成分符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求，未见异常。表1 化学成分分析结果(wt%)Table 1 Analysis result of chemical composition (wt%) 元素试样CSiMnSPCrMoVNbAlNi粉末样70.0070.0109.220.870.200.090.010.18ASME SA335 P91110.000.300.600.0100.0208.009.500.851.060.100.040.402.2 硬度检验管段外壁硬度和横截面硬度测量示意图分别如图2、图3所示，测量结果分别列示于表2和表3。由表2和表3可知，管段外壁硬度和横截面硬度有相似规律，两者的硬度值都偏低而且分布不均匀。从-135区域到180区域，外壁硬度平均值依次为186,185,186,182,156,150,177,191；横截面硬度平均值依次为192,191,191,187,176,168,180,195。90区域的外壁硬度和横截面硬度值均为最低，分别为150HB、168HB，其次为45区域的硬度值。很明显，相邻的45区域和90区域的硬度值比其它角度的硬度值明显偏低，这是由热处理过程中管子局部受热不均匀造成的。 图2 管段外壁硬度测量示意图图 图3 管段横截面硬度测量示意图Fig.2 Measuring sketch map of ektexine hardness Fig.3 Measuring sketch map of cross-section hardness表2 管段外壁硬度测量结果（HB）Table 2 Measuring result of ektexine hardness (HB)测点截面1234平均值硬度值平均值硬度值平均值硬度值平均值硬度值平均值-135180,185,187184177,178,181179178,172,181177200,201,204202186 -90186,182,181183184,182,179182191,189,194191182,185,184184185 -45185,181,183183180,181,185182188,188,185187193,190,197193186 0177,179,184180176,176,181178/189,185,187187182 45153,153,146151152,147,153151157,160,153157166,163,170166156 90147,149,157151151,151,147150155,151,148151150,148,144147150 135179,180,186182177,178,179178173,168,173171177,178,169175177 180183,191,195190192,183,193189181,185,190185202,198,201200191 表3 管段横截面硬度测量结果（HB）Table 3 Measuring result of cross-section hardness (HB)截面位置硬度值近外壁近外壁中近内壁中近内壁平均值-135196195185190192-90211188185179191-45198196183185191019318818318418745170175175182176901791671631631681351771821821771801801971951951931952.3 拉伸试验在90块料（硬度最低）靠近外壁处加工6个纵向拉伸样和6个横向拉伸样、-90块料（硬度较高）靠近内壁处加工6个纵向拉伸样，3个试样为一组，分别进行室温拉伸试验和高温(545)拉伸试验，试验结果分别如表4、表5所示。表4 管段室温拉伸试验结果（Z纵向；H横向；W外壁；N内壁）Table 4 Result of tensile testing at room temperature (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner)试样编号抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（Mpa）断后伸长率A（%）抗拉强度Rm（Mpa）平均值屈服强度Rp0.2（Mpa）平均值ZW(90)570355335703585653503457537033HW(90)565350345673505703503456535033ZN(-90)660505296585036605052965550028备注：ASME SA-335/SA-335M标准规定P91钢室温抗拉强度（Rm）585MPa，室温屈服强度（Rp0.2）415MPa，延伸率A（纵向）20%。表5 高温(545)拉伸试验结果（Z纵向；H横向；W外壁；N内壁）Table 5 Result of tensile testing at 545 (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner)试样编号抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）断后伸长率A（%）抗拉强度Rm（MPa）平均值屈服强度Rp0.2（MPa）平均值ZW(90)340245373422523402553634525537HW(90)360245373502403602403933023539ZN(-90)395350293983554003603140035529备注：GB5310-199512标准对10Cr9Mo1VNb的要求为550屈服强度Rp0.2260MPa，插值计算得545屈服强度Rp0.2268MPa由表4可知，90块料靠近外壁的室温拉伸性能较差，其纵向和横向的抗拉强度、屈服强度都不符合ASME SA-335/SA-335M标准；-90块料靠近内壁的室温纵向拉伸性能满足ASME SA-335/SA-335M标准的要求。由表5可知，90块料靠近外壁的高温拉伸性能也较差，其纵向和横向的屈服强度都不符合GB5310-199标准对10Cr9Mo1VNb的要求；-90块料靠近内壁的高温纵向屈服强度满足GB5310-1995标准对10Cr9Mo1VNb的要求。2.4 冲击试验在90、-90块料上加工标准的夏比缺口冲击试样，进行室温冲击试验，试验结果如表6所示。由表6可知，室温冲击功都在200J以上，其中90块料的冲击功比-90块料的冲击功大；纵向试样的冲击功比横向试样稍高；在管段的外壁、中部、内壁不同位置处所取试样的室温冲击功几乎没有明显差别。表6 室温冲击试验结果（Z纵向；H横向；W外壁；N内壁）Table 6 Result of impact testing at room temperature (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner)试样编号AKV(J)试验值AKV(J)平均值ZW(90)295301279292HW(90)268270271270ZW（-90）223227221224ZN（-90）234231223229HN（-90）226231219225备注：ASME SA-335/SA-335M标准对P91冲击功无明确规定，参照GB5310-1995 10Cr9Mo1VNb冲击功Akv V（纵向）35J，Akv V（横向）27J。2.5 金相组织分析在90块料、-90块料上取样进行金相组织分析，金相组织照片如图5所示。从金相照片上可看到，试样的组织未见异常，均为较典型的板条状马氏体组织。 图5 金相组织照片 400Fig.5 Pictures of metallographic examination 400(a) Cross-section inner of 90; (b) Cross-section ektexine of 90; (c) Cross-section inner of -90; (d) Cross-section ektexine of -902.6 重新热处理后管段组织和性能的变化分别在90块料（硬度值最低）、-90块料（硬度值较高）上取样参照有关标准按图6的热处理流程进行热处理试验，具体热处理工艺如下：1050正火1h，空冷到室温；760回火1h，空冷到室温。图6 热处理工艺流程曲线Fig.6 Technology of heat-treatment2.6.1 管段硬度的变化试样经热处理后的硬度检验结果见表7所示。由表7可知，试样经热处理后，其硬度值明显增大而且数值分布也较均匀，90块料和-90块料的横截面硬度值分别从168HB恢复为202HB、191HB恢复为211HB，硬度值均符合ASME SA-335/SA-335M P91中的要求。表7 热处理前后横截面硬度对比Table 7 Cross-section hardness before and after heat-treatment截面位置硬度值近外壁近外壁中近内壁中近内壁平均值90（未热处理）17916716316316890（热处理后）204200204199202-90（未热处理）211188185179191-90（热处理后）210225204217211备注：ASME SA-335/SA-335M P91标准规定布氏硬度250HB。2.6.2 室温拉伸性能的变化试样经热处理后的室温拉伸性能如表8所示。由表8可知，试样经热处理后，90块料和-90块料的室温抗拉强度分别从567MPa和658MPa上升到688MPa和703MPa，室温屈服强度分别从350MPa和503MPa上升到553MPa和575MPa，而断后伸长率略有下降，拉伸性能均符合ASME SA-335/SA-335M P91中的要求。表8 热处理前后室温拉伸性能对比（Z纵向；H横向；N内壁）Table 8 Tensile properties at room temperature before and after heat-treatment(Z-Portrait; H-Transverse; N-Inner)试样编号抗拉强度Rm（MPa）屈服强度Rp0.2（MPa）断后伸长率A（%）抗拉强度Rm（MPa）平均值屈服强度Rp0.2（MPa）平均值HW(90)565350345673505703503456535033热处理后HW(90)6795592568855369754726ZN(-90)660505296585036605052965550028热处理后ZN(-90)7005702470357570558024备注：ASME SA-335/SA-335M标准规定P91钢室温抗拉强度（Rm）585MPa，室温屈服强度（Rp0.2）415MPa，延伸率A（纵向）20%。2.6.3 金相组织的变化图7是热处理后的90块料和-90块料的横向截面金相组织照片，同未热处理时相比，组织略有差异，但依然是较明显的板条马氏体组织。 图7 热处理后的横向截面金相组织照片Fig.7 Pictures of metallographic examination after heat-treatment (a) Cross-section inner of 90; (b) Cross-section inner of -903 结论1）取样试验分析结果表明，该管段的化学成分符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求，室温冲击性能也符合相关标准，金相组织为典型的板条马氏体，未见异常。2）布氏硬度试验和力学性能试验结果表明，管段的外壁硬度和横截面硬度都偏低而且分布不均匀，硬度最低部位的室温拉伸性能、高温(545)拉伸性能均不符合ASME SA-335/SA-335M、GB5310-1995标准的要求，这是由于热处理不当所造成的。3）对硬度最低及硬度较高部位取样参照有关标准进行重新热处理试验，结果金相组织均正常，同一部位的横截面硬度也恢复正常而且分布均匀，室温抗拉强度和屈服强度均符合ASME SA-335/SA-335M、GB5310-1995标准的要求。由此可见，参照规范的热处理工艺以及严格控制热处理各环节的质量，管道的硬度和拉伸性能均可恢复到良好状态。参考文献：1 火力发电厂金属材料手册编委会. 火力发电厂金属材料手册 M. 北京：中国电力出版社. 2001. 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National Electric Chengdu Jintang Thermal Power Limited Company, Chengdu 610400, Sichuan Province, China)Abstract: The problem about lower hardness of P91 main steam pipe of thermal power plants has b