有色金属材料与工程  2024, Vol. 45 Issue (2): 81-87    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.20231018001   PDF    
低硬度P91钢弯头的组织与性能分析
李家瑶, 王松, 倪燚锋, 段鹏    
上海明华电力科技有限公司, 上海200090
摘要:火力发电通过提高发电机组的蒸汽参数可以获得更高的发电效率,但更高的蒸汽参数给火电厂的安全运营带来新挑战。蒸汽管道弯头是火电机组系统中的事故多发区,其组织性能的研究对于指导管件生产与电厂设备运营管理具有重要意义。某电厂某1 000 MW超超临界机组在进行金属监督检验时,发现材质为P91钢的管道弯头背弧面局部硬度偏低。通过硬度试验、拉伸试验、金相检测、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分析,对其硬度偏低部位的显微组织与力学性能进行研究。经分析,P91弯头局部区域硬度偏低的主要原因是组织老化、析出相长大导致其各项强化作用减弱。
关键词P91钢    弯头    硬度    组织性能    
Analysis of microstructure and properties of low hardness P91 steel pipe elbow
LI Jiayao, WANG Song, NI Yifeng, DUAN Peng    
Shanghai Minghua Electric Power Science & Technology Co., Ltd., Shanghai 200090, China
Abstract: Thermal power generation can achieve higher power generation efficiency by improving the steam parameters of the generator units, but the higher steam parameter also brings new challenges to the safe operation of thermal power plants. Cracking accident occurs frequently at the elbow of steam pipe in thermal power units. The study on microstructure and properties of the elbow is great significance for guiding the pipe production and the operation of the power plant equipment. It was found that the local hardness value of a P91 pipe elbow was low during the inspection of a 1 000 MW ultra-supercritical boiler. The microstructure and mechanical properties of the part with low hardness values was studied by hardness tests, tensile tests, metallographic tests, scanning electron microscope tests and transmission electron microscope tests, respectively. The results show that the low hardness of P91 elbow is caused by the degradation of microstructure and coarsening of precipitated phases, which weakens its various strengthening effects.
Key words: P91 steel    elbow    hardness    microstructure and properties    

P91钢是在9Cr-1Mo钢基础上添加V、Nb、N等元素开发出来的马氏体耐热钢[1],在GB/T5310—2019《高压锅炉用无缝钢管》中牌号为10Cr9Mo1VNbN,具有良好高温性能,被广泛应用于电站锅炉设备中。按照美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)标准SA—335 / SA—335M和我国电力行业标准DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》中要求,P91钢管件的布氏硬度应控制在180~250之间。近年来,P91钢组件在服役过程中发现很多硬度明显偏低的现象,研究其组织性能对保障机组的安全运行有重要意义。Masuyama等[2]和Kim等[3]报道了P91钢试样的硬度和其持久性能的降低有关。Sawada等[4]和Endo等[5]的研究显示P91钢硬度与试样马氏体板条和位错密度有关。大量研究表明[6-8],时效、持久运行过程中P91钢硬度降低时伴随着析出相的聚集与粗化。此外,P91钢塑性成形、热处理也会导致硬度偏低[9-12]

本文对某电厂某1 000 MW超超临界机组P91钢弯头服役过程中的硬度偏低部位进行取样,研究其微观组织和力学性能,并分析其硬度偏低的原因。

1 试验材料及方法

某电厂某1 000 MW超超临界机组在进行金属监督检验时,发现一级再热器出口至二级再热器进口连接管弯头硬度偏低,扩大检查后发现背弧面存在硬度偏低的区域。本研究对该弯头进行割管处理并进行进一步的组织与性能分析。

图1(a)所示,弯头标称材质为SA335-P91,规格为$ \phi $610.0 mm×25.4 mm,虚线范围(约470.0 mm×280.0 mm)内为现场检测硬度偏低部位。如图1(a)所示在割管弯头上沿截面A1~A4截取两个厚度20 mm的环状试样A1-A2和A3-A4,分别记为环1和环2,环状试样如图1(b)所示。再将两个环状试样分别平均截为9小段,小段试样如图1(c) 所示。按从上往下的顺序依次编号,记为1-1~1-9,2-1~2-9(编号1-1表示环1上数第1段,以此类推)。按照GB/T 231.1-2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》使用Wilson UH250型布洛维台式硬度计对试样进行布氏硬度测定;按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》使用光学显微镜对试样进行金相显微组织观察;通过FEI Quanta 450场发射扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对试样的进行微观组织结构观察及能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)进行成分分析;透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)对析出相进行观察。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》进行常温拉伸试验。

图 1 低硬度弯头割管及取样示意图 Fig. 1 Schematic diagrams of cutting and sampling for low hardness elbow
2 试验结果 2.1 力学性能测试 2.1.1 硬度检测

图1所示取样,针对现场检测硬度偏低区域及周边位置进行布氏硬度测试,检测试样编号为1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、2-6,硬度测试标尺为HBW2.5 mm/187.5 kgf/10s,测试位置为A2截面与A4截面,结果如表1所示。

表 1 硬度检测结果 Tab. 1 Hardness of the samples

根据DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》(附录C 电站常用金属材料硬度值),P91管件(弯头)的布氏硬度控制范围为180~250。布氏硬度测试检测结果显示各个试样近外壁—中径—近内壁位置硬度接近,其中:试样1-4、1-5硬度满足DL/T 438—2016的要求;试样2-4、2-5硬度低于该标准要求的下限值;试样2-3、2-6则处于硬度变化过渡区域,试样2-3上、中部和试样2-6中、下部硬度满足标准要求而试样2-3下部和试样2-6上部硬度低于标准要求下限。

2.1.2 拉伸试验

在弯头硬度偏低位置,即图1(a)中A4截面左侧区域的外壁、中间、内壁,截取直径为5 mm的棒状标准拉伸试样共8根进行常温拉伸试验,拉伸试样示意图如图2所示。拉伸试验结果如表2所示。根据GB/T5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对P91拉伸性能的要求,其抗拉强度≥585 MPa,屈服强度≥415 MPa,纵向伸长率≥20%。常温拉伸试验结果表明,该弯头硬度偏低位置的屈服强度与抗拉强度均明显低于标准要求。

图 2 拉伸试样示意图 Fig. 2 Schematic diagram of tensile specimen

表 2 拉伸试验结果 Tab. 2 Tensile results of the samples
2.2 显微组织检测 2.2.1 金相检验

根据布氏硬度检测结果,选取试样2-3的A4截面进行金相组织检验,使用氯化铁盐酸水溶液作为浸蚀剂,结果如图3所示。由金相检测结果可以看出,试样2-3上部和中部硬度正常位置的金相组织为回火马氏体,马氏体板条清晰可见,板条位相轻微分散,板条界及板条束内有细小弥散的碳化物颗粒(第二相)析出,未发生明显老化;根据DL/T 2219—2021《火力发电厂用10Cr9Mo1VNbN钢显微组织老化评级》评级为1.5级老化。试样2-3下部硬度偏低位置的金相组织中马氏体仅残留少量,马氏体板条位相严重分散,第二相尺寸明显粗化,为典型的马氏体老化组织;根据DL/T 2219—2021评级为4级老化。

图 3 金相检测形貌 Fig. 3 Metallographic microstructures of the samples
2.2.2 SEM检测

在SEM下对试样2-3的组织进行观察,其形貌如图4所示。从图4可以看出,试样在晶界和晶内均有大量的颗粒状和块状的析出相,部分析出相在晶界处聚集形成短链状。用EDS进行成分分析,显示析出相中的Cr含量远高于基底,结果如图5所示。根据文献[13-14]推测析出相为富Cr的M23C6。对比上部、中部与下部的图可知,硬度偏低位置(下部)处的析出相出现明显的长大粗化,与金相检测结果一致。

图 4 SEM检测结果 Fig. 4 SEM photographs of the samples

图 5 EDS检测结果 Fig. 5 EDS results of the samples
2.2.3 TEM检测

在TEM下对试样2-3中的析出相进行观察,如图6所示。根据选区电子衍射图案可以标定出析出相主要为面心立方(face centered cubic,FCC)结构的M23C6

图 6 TEM检测形貌图 Fig. 6 TEM photographs of the samples
3 分析与讨论

P91钢在较高温度和较长时间作用下具有较高的组织稳定性,这是由于大量固溶于基体中的合金元素产生的固溶强化、高密度的位错板条马氏体产生的位错强化以及细小弥散的析出相产生的第二相强化共同作用的结果[15]。通过以上试验结果可知:P91弯头服役后,硬度正常位置材料未发生明显老化,各项力学性能指标仍满足标准要求;而硬度偏低位置组织老化现象明显,其强度(屈服强度与抗拉强度)已低于标准要求下限。

本文中P91弯头背弧面局部区域硬度偏低,显微组织检测结果显示:硬度偏低位置马氏体仅残留少量,马氏体板条位相严重分散,使得位错强化作用减弱;同时,硬度偏低位置析出相长大粗化,导致第二相强化作用减弱;合金元素从基体析出也让固溶强化作用减弱。这是最终导致其硬度、屈服强度和抗拉强度等力学性能下降的主要原因。

实际检测中硬度偏低位置也多为弯头的背弧面[16-19],硬度沿壁厚方向基本保持一致,低硬度区域的异常与服役过程无关,应为弯头制造过程工艺不当造成的。实际生产中,弯头外壁的温度很难保持恒定,各部位变形量也不一样(其中背弧面部分拉伸塑性变形量最大),使得整个弯头尤其是背弧面位置呈现硬度及组织不均匀的状态,最终导致在长期服役后弯头背弧面局部区域出现组织老化、硬度偏低的现象。

4 结 论

(1)P91弯头现场硬度偏低区域组织明显老化,取样部位硬度、强度等各项力学性能指标均不能达到标准要求,综合力学性能较差,将严重影响机组的安全运行。

(2)根据各项检测结果可知P91钢管道的硬度能很好地反映材料综合力学性能,现场进行的金相、硬度检验对电厂金属监督工作有重要作用。

(3)P91钢弯头背弧面局部区域硬度偏低的主要原因是组织老化、析出相长大导致的各项强化作用(位错强化、第二项强化以及固溶强化)减弱。其根本原因可能与弯头的生产过程有关,因此其出厂检验必须严格把关。

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