專題講座資料（2021-2022年）低硬度P91鋼高溫部件安全性能研究與評(píng)價(jià)中國(guó)電力科技網(wǎng)溫州會(huì)議

1、2010.11 中國(guó) 溫州 600/1000 MW超超臨界機(jī)組技術(shù)交流2010年會(huì)低硬度P91鋼主蒸汽管道安全性能研究與評(píng)價(jià)蔡文河 李煒麗 趙衛(wèi)東 王智春華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司（100045）摘要：為了研究低硬度P91材質(zhì)的蒸汽管道和聯(lián)箱在運(yùn)行中的安全性能，通過對(duì)服役1萬小時(shí)的低硬度P91管道進(jìn)行解剖試驗(yàn)，分析了低硬度管材顯微組織與常溫力學(xué)性能、540、566以及600下高溫力學(xué)性能和持久試驗(yàn)的關(guān)系，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)里氏硬度測(cè)試方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)和研究，獲得了現(xiàn)役P91管道的判別標(biāo)準(zhǔn)，給出了在役P91管道的安全性評(píng)價(jià)結(jié)果和監(jiān)督技術(shù)反措。關(guān)鍵詞：低硬度 P91 蒸汽管道 安全性評(píng)價(jià)1 前

2、言隨著大容量、高參數(shù)超（超）臨界機(jī)組在我國(guó)火力發(fā)電廠的迅猛發(fā)展，593 /10萬h條件下持久強(qiáng)度可達(dá)到100MPa 的P91材料廣泛的應(yīng)用于溫度高于566的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及其旁路、高溫聯(lián)箱等高溫部件。鑒于P91的良好耐熱性，甚至540的亞臨界機(jī)組也應(yīng)用較為廣泛。在超（超）臨界機(jī)組建設(shè)初期，P91主要依賴于進(jìn)口，由于進(jìn)口量極大，我國(guó)雖然經(jīng)歷了使用假P91的歷程，但在短短幾年內(nèi)就完成了P91的國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。按照ASME SA335-SA335M 的要求P91材質(zhì)管道的硬度不超過250HB，然而在P91材料的檢驗(yàn)過程中，不管是進(jìn)口材料、還是國(guó)產(chǎn)材料，其硬度偏低已經(jīng)是一個(gè)很普遍的問題。其硬度值

3、可分為兩檔：一是介于160180HB之間，一是介于140160HB之間，個(gè)別的部件甚至更低，同時(shí)還出現(xiàn)組織不合格的情況。因此，在電力行業(yè)新頒布的DL/T438-2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程中明確提出了，P91材料的硬度不得低于180HB的要求。但是在已經(jīng)運(yùn)行的P91管道和聯(lián)箱仍存在大量的低硬度的現(xiàn)象，這給機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的安全隱患。對(duì)低硬度P91蒸汽管道、聯(lián)箱安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)無疑是極其重要的。2 P91鋼主汽管道硬度偏低歸納P91常見的硬度問題總結(jié)起來，可以分以下幾類：（1）管道直管外表面硬度分布均勻，但整體偏低；（2）管道直管外表面硬度分布不均勻，局部硬度偏低；（3）管道彎

4、頭硬度分布不均勻，背弧面硬度低，內(nèi)弧以及彎頭上的直管段硬度正常；（4）管道由外壁至內(nèi)壁硬度分布不均勻，外壁一定范圍內(nèi)硬度較低，而內(nèi)壁正常；（5）管道由外壁至內(nèi)壁硬度整體偏低。例如，某電廠2MS-9組件彎管標(biāo)高為23.6米，規(guī)格為Di368.3×41mm。檢驗(yàn)方案及標(biāo)記方法為：沿著介質(zhì)流向依次環(huán)向做硬度檢驗(yàn)，每環(huán)以英文字母A起標(biāo)記，每?jī)森h(huán)之間的間距約為0.5m。每環(huán)的周圈取八點(diǎn)，兩點(diǎn)之間角度間隔約45°，迎向介質(zhì)觀察從彎管背弧起以標(biāo)記，按逆時(shí)針依次類推標(biāo)記為，具體檢驗(yàn)位置如圖1所示。該彎管在背弧長(zhǎng)約2米，夾角約為90°（即和兩個(gè)位置間夾角）的范圍內(nèi)硬度值較低，在13

5、0HB160HB之間，最低的區(qū)域(C附近)達(dá)到138HB，外表面硬度分布明顯不均勻，低硬度主要分布在背弧面。如將管道沿徑向展開，其具體硬度分布如圖2所示，硬度低區(qū)域的顯微組織如圖3所示。圖1 2MS-9組件彎管檢驗(yàn)示意圖圖2 2MS-9組件彎管硬度分布圖3 硬度異常位置的金相組織同樣的情況可在許多電廠可見。某電廠主蒸汽管道90°彎頭，材質(zhì)為P91,在服役后的檢修過程中，發(fā)現(xiàn)彎頭硬度分布不均勻，背弧面局部硬度低，在140HB160HB之間，低硬度位置金相組織異常，出現(xiàn)鐵素體，且馬氏體位相明顯消失，而彎頭兩端直段以及內(nèi)弧面硬度正常。另某電廠美國(guó)產(chǎn)A335 P91管道，規(guī)格ID368

6、15;42mm，在對(duì)管道端面處檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外壁硬度分布不均勻，距外表面20mm范圍內(nèi)硬度值偏低，在160HB170HB之間，其他部位硬度值為180HB200HB。3 測(cè)試方法和特點(diǎn)在對(duì)管道和聯(lián)箱的研究和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中，常用的試驗(yàn)方法有三種：一是用里氏硬度計(jì)對(duì)部件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，二是用錘擊式硬度計(jì)對(duì)部件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，三是對(duì)部件進(jìn)行解剖，在實(shí)驗(yàn)室中用臺(tái)式布式硬度進(jìn)行測(cè)試。布氏硬度是在一定的檢測(cè)力作用下，壓力與試樣壓痕面積的比值。其特點(diǎn)測(cè)量精度高、重復(fù)性好。里氏硬度是通過規(guī)定一定質(zhì)量的沖擊體，以一定速度沖擊試樣表面，用沖擊頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計(jì)算其硬度值。其特點(diǎn)是精度高，

7、可以保證±0.8%。錘擊式硬度的原理與布氏硬度測(cè)試方法一致，但其誤差較大，所以也稱“近似硬度檢測(cè)法”。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)，臺(tái)式布氏硬度測(cè)量時(shí)不可行的，多采用便攜里氏硬度進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17394-1998金屬里氏硬度試驗(yàn)方法。但是GB/T17394中明確規(guī)定其所測(cè)試對(duì)象為低碳鋼、低合金鋼和鑄鋼，超出這些材料的范圍應(yīng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，找出對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣才能準(zhǔn)確的記錄材料的真實(shí)硬度。GB/T17394第8條還規(guī)定，“應(yīng)盡量避免將里氏硬度換算成其他硬度”，且“應(yīng)在里氏硬度符號(hào)之前附以相應(yīng)的硬度符號(hào)。例如400HVHLD表示用D型沖擊裝置測(cè)定的里氏硬度值換算的維氏硬度為400

8、”。因此，對(duì)于P91鋼，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行硬度測(cè)試時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬對(duì)比試驗(yàn)，得出換算關(guān)系。4 試驗(yàn)研究與結(jié)果分析試樣材料取于某電廠在役的的P91鋼主蒸汽管道，規(guī)格為Di368.3×41mm。現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)試為130-160HBHLD。4.1 化學(xué)成分分析如表1所示，現(xiàn)場(chǎng)取樣管的化學(xué)成分滿足A335 P91規(guī)定要求。表1 現(xiàn)場(chǎng)割取P91鋼化學(xué)成分分析（%）元素CSiMnPSCrMo標(biāo)準(zhǔn)要求0.080.120.200.500.300.600.0200.0108.009.500.851.05實(shí)測(cè)含量0.0760.300.440.00890.00148.330.88元素NiVAlNbNOH標(biāo)準(zhǔn)要

9、求0.400.180.250.040.060.10.0300.07-實(shí)測(cè)含量0.170.210.00420.0720.0500.00170.000074.2 低硬度對(duì)比試驗(yàn)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已經(jīng)表明，用里氏硬度計(jì)測(cè)量的硬度值與實(shí)驗(yàn)室用臺(tái)式硬度計(jì)的測(cè)量值存在一定的偏差。要得到實(shí)際的硬度值，就要進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。按照GB/T17394中的數(shù)據(jù)換算表畫出的 HLD與HBHLD的換算曲線如圖4所示。 圖4 GB/T17394中的 HLD與HBHLD 圖5 臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)P91直測(cè)HB值與里氏的換算曲線 硬度計(jì)直測(cè)HLD值的對(duì)比關(guān)系曲線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)割取的低硬度P91試樣進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比關(guān)系如圖5所示。按照GB/T 1739

10、4金屬里氏硬度試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)換算表進(jìn)行換算，472HLD相當(dāng)于180HBHLD，448HLD相當(dāng)于160HBHLD（圖4）。然而在對(duì)P91實(shí)際管樣進(jìn)行解剖對(duì)比試驗(yàn)時(shí)可知，里氏硬度計(jì)實(shí)測(cè)值450HLD與臺(tái)式硬度計(jì)實(shí)測(cè)180HB的試樣相當(dāng)，里氏硬度計(jì)實(shí)測(cè)值425HLD與臺(tái)式硬度計(jì)實(shí)測(cè)160HB的試樣相當(dāng)（圖5）。由此可見，用便攜式里氏硬度計(jì)測(cè)量的里氏硬度值經(jīng)換算表或者儀器直讀的HBHLD值要比臺(tái)式布氏硬度計(jì)測(cè)量的HB值小20HB左右。即160HBHLD（450HLD）左右的P91鋼，其布氏硬度應(yīng)為180HB、140HBHLD（425HLD）左右的P91鋼，其布氏硬度應(yīng)為160HB。為了得到P91鋼

11、不同的硬度值，將P91鋼試樣在1050正火后，分別于710、730、750、770、790、810、820、830、840各回火保溫1h，然后觀察金相組織，并測(cè)試布氏硬度值，同事將試樣送至中國(guó)計(jì)量研究院進(jìn)行里氏和布氏對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如圖6、7所示。其金相組織如圖8所示。由圖可見，730回火后為板條馬氏體；750、770、790回火后金相組織為回火馬氏體，但790時(shí)板條有所變寬；在810、830回火后的組織中，除回火馬氏體外，還出現(xiàn)了微量的小鐵素體塊以及少量的細(xì)窄板條淬火馬氏體，淬火馬氏體是由奧氏體自高溫（超過A1相變點(diǎn)）冷卻時(shí)轉(zhuǎn)變而成的。出現(xiàn)硬度降低的原因是由于P91在回火溫度過高所致。圖6

12、 不同溫度回火后里氏硬度與布氏硬度的對(duì)比關(guān)系圖7 P91鋼里氏硬度與布氏硬度擬合曲線圖 圖8-1 回火（730）金相組織 圖8-2 回火（750）金相組織 圖8-3 回火（770）金相組織 圖8-4 回火（790）金相組織 圖8-5 回火（810）金相組織 圖8-6 回火（830）金相組織圖8 不同回火溫度下的P91鋼金相組織4.3 力學(xué)性能針對(duì)P91鋼現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的硬度值，對(duì)160HB/140HBHLD（425HLD）、180HB/160HBHLD(450HLD)的硬度進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果如表2、3和表4、5所示。表2 P91鋼硬度值為160HB/140HBHLD（425HLD）左右的力學(xué)性

13、能結(jié)果序號(hào)溫度 t/抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa屈服強(qiáng)度 RP0.2/MPa斷延A/面縮Z/沖擊吸收功KV2/J備注1室溫（均值）560282.533.870.5126.3ASME SA33558541520(縱向)GB5310住友數(shù)據(jù)68552125.872.9V&M數(shù)據(jù)742591254031318542.381.8253.3GB5310269.2資料數(shù)據(jù)（223HB）48542317.874.25463566275161.53983.8249.5GB5310240資料數(shù)據(jù)4123762085167460024515250.389.3242.7GB5310198資料數(shù)據(jù)290從表2種可以

14、看出，硬度為160HB/140HBHLD（420HLD）的P91鋼的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均大幅度下降，尤以屈服強(qiáng)度下降幅度最大。其結(jié)果如表3所示。與正常的P91鋼相比，室溫下屈服強(qiáng)度比ASME SA335的要求下降了32%，抗拉強(qiáng)度下降了4%。與日本住友的數(shù)據(jù)相比，屈服強(qiáng)度下降了46%，抗拉強(qiáng)度下降了18%。與V&M相比，屈服強(qiáng)度下降了52%，抗拉強(qiáng)度下降了25%。表3 硬度值為160HB/140HBHLD（425HLD）P91鋼力學(xué)性能與相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比下降結(jié)果序號(hào)溫度 t/抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa屈服強(qiáng)度 RP0.2/MPa備注1室溫與ASME SA335室溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比4%32%與住友室

15、溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比18%46%與V&M室溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比25%52%2540與資料數(shù)據(jù)對(duì)比（223HB）36%56%與GB5310對(duì)比-31%3566與資料數(shù)據(jù)對(duì)比33%57%與GB5310對(duì)比-33%4600與資料數(shù)據(jù)對(duì)比16%-與GB5310對(duì)比-23%540下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與有關(guān)資料相比分別下降了56%和36%。屈服強(qiáng)度與GB5310下限值相比下降了31%。566下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與有關(guān)資料相比分別下降了57%和33%。屈服強(qiáng)度與GB5310下限值相比下降了33%。600下的抗拉強(qiáng)度下降了16%。屈服強(qiáng)度與GB5310下限值相比下降了23%。由此可見，硬度值為160HB/140HBH

16、LD（425HLD）P91鋼力學(xué)性能下降幅度很大。同樣分析硬度在180HB/160HBHLD（450HLD）P91鋼力學(xué)性能。如表4、5所示。室溫、540、566和600下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于ASME SA335或GB5310下限值的要求。但與相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)相比要低，在14-25%之間。尤其與硬度在223HB的P91鋼在546下的力學(xué)性能相比，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均下降了25%?？梢姡捕葹?80HB的P91鋼，其力學(xué)性能可以滿足規(guī)范的要求，但位于下限。這也是將P91鋼的硬度規(guī)定其下限值為180HB的理由。表4 P91鋼硬度值為180HB/ 160HBHLD（450HLD）左右的力學(xué)性

17、能結(jié)果序號(hào)溫度 t/抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa屈服強(qiáng)度 RP0.2/MPa斷延A/面縮Z/沖擊吸收功KV2/J備注1室溫637.5445.024.065.394.0ASMESA33558541520(縱向)GB5310住友數(shù)據(jù)68552125.872.9V&M數(shù)據(jù)7425912540365.0317.525.079.0180.8GB5310269.2某廠546數(shù)據(jù)（223HB）48542317.874.23566342.5300.028.081.5176.2GB5310240資料數(shù)據(jù)41237620851674600310.0277.531.585.5201.0GB5310198資料數(shù)據(jù)2

18、90表5 硬度值為180HB/160HBHLD（450HLD）P91鋼力學(xué)性能與相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果序號(hào)溫度 t/抗拉強(qiáng)度 Rm/MPa屈服強(qiáng)度 RP0.2/MPa備注1室溫與ASME SA335數(shù)據(jù)對(duì)比9%7%與住友室溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比7%15%與V&M室溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比14%25%2540與資料數(shù)據(jù)對(duì)比（223HB）25%25%與GB5310對(duì)比-18%3566與資料數(shù)據(jù)對(duì)比17%20%與GB5310對(duì)比-25%4600與資料數(shù)據(jù)對(duì)比7%-與GB5310對(duì)比-40%4.4 高溫持久性能分別對(duì)硬度在160HB/ 140HBHLD（420HLD）和180HB/ 160HBHLD（450HLD）的P91鋼

19、在540和566的高溫下進(jìn)行持久強(qiáng)度測(cè)試。從短時(shí)間的斷裂時(shí)間可以看出，160HB/140HBHLD（420HLD）的斷裂時(shí)間與硬度在223HB的P91鋼相比，其差距巨大。160HB/140HBHLD（420HLD）的管樣在540下200MPa的斷裂時(shí)間僅為135h，而硬度在223HB的P91鋼的斷裂時(shí)間為9226h。將初始應(yīng)力降低到140MPa，其斷裂時(shí)間也很低，為1881h。在566、140MPa下的斷裂時(shí)間也僅為125h。可見，雖然短時(shí)間的持久試驗(yàn)具有一定的分散性，但巨大的數(shù)據(jù)下降，足以說明，硬度低的P91鋼，其高溫持久強(qiáng)度很差，會(huì)嚴(yán)重影響的運(yùn)行的安全性。 180HB/ 160HBHLD（

20、450HLD）的管樣在566下200MPa的斷裂時(shí)間僅為1692h，與硬度在223HB的P91鋼的斷裂時(shí)間為為9226h也有一定的差距。根據(jù)持久試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，其斷裂時(shí)間與初始應(yīng)力的關(guān)系如圖9所示。圖9 540和566下低硬度P91鋼持久強(qiáng)度外推趨勢(shì)曲線經(jīng)初步計(jì)算，外推10萬小時(shí)的持久強(qiáng)度見表7所示?？梢姴际嫌捕戎翟?80HB時(shí)其10萬小時(shí)的持久強(qiáng)度與GB 5310-2008相比相當(dāng)，這說明，P91鋼的硬度要求180HB的下限值是一個(gè)絕對(duì)下限。而160HB硬度值的10萬小時(shí)外推強(qiáng)度比GB 5310-2008的推薦值小了一半。可見在現(xiàn)場(chǎng)硬度檢驗(yàn)中，最低限的要求是不能放松的。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試低硬度的P91鋼，按照對(duì)比曲線，里氏硬度在420HLD的P91鋼，用里氏硬度計(jì)直接讀數(shù)或者按照GB/T17394進(jìn)行布氏硬度換算，布氏硬度值為140HBHLD，其臺(tái)式布氏硬度計(jì)的測(cè)試結(jié)果為160HB。里氏硬度在450HLD的P91鋼，用里氏硬度計(jì)直接讀數(shù)或者按照GB/T17394進(jìn)行布氏硬度換算，布氏硬度值為160HBHLD，其臺(tái)式布氏硬度計(jì)的測(cè)試結(jié)果為180