高旁喷管F91材质异常分析及处理

徐 开 黄 群 王 松

1．上海上电漕泾发电有限公司;

2．上海明华电力科技有限公司

0 概述

某公司1 000MW机组高旁阀门进出口分别与主蒸汽管、再热冷段蒸汽管相连，阀门进口材质为SA336-F92，进口设计温度610℃，出口变径管和喷管材质为SA182-F91，规格为Φ508mm×44mm，出口设计温度528℃；冷再管道材质为A691 1-1/4Cr CL22，阀门喷管后管道经过喷水调节阀减温，连接冷再管道。现场检验发现，返修备品喷管硬度值偏低，扩大检查发现4只高旁喷管中有2只均存在类似情况。在此基础上进行了现场金相、常温和高温拉伸等试验，并对其软化原因进行分析，采取对应措施。

1 材质性能检验

选择硬度异常的高旁喷管进行取样分析。高旁喷管安装及结构如图1所示。

图1 高旁阀门及喷管（虚框内）

1.1 光谱分析

采用直读式光谱仪对高旁喷管进行化学成分检验，检验结果如表1所示。由表1可见，高旁喷管的化学成分满足DL/T 869-2012《火力电厂焊接技术规程》对F91材料的要求。

1.2 硬度试验

为了避免硬度检测区域的偶然性，采用同型号的EQUOTIP BAMBINO2里氏硬度计对喷管外表面、内表面及横截面等多处进行硬度检测，检测硬度值约为145～150 HBHLD，低于DL/T 438-2016对F91的要求的下限值175HB[1]。

实际检测中，9%Cr钢里氏硬度，检测值与实际值经常有一定的差异[2-3]，因此DL/T 438-2016中要求，里氏硬度检测结果异常时，宜采用便携式布氏硬度计进行校核。

为了避免试验仪器及试验方法对硬度结果产生的影响，对硬度异常的高旁喷管取样，并分别进行里氏硬度与布氏硬度检测。试样要求和测试方法按照GB/T 231．1-2009《金属布氏硬度测试试验》[4]第1部分：测试方法 和GB/T 17391．1-2014《金属材料里氏硬度测试试验》[5]第1部分的测试方法执行，检测结果如表2所示。由表2可以看出，经便携式布氏硬度计校核后的硬度值高于相同检测条件下里氏硬度结果，但仍低于DL/T 438-2016对F91的要求的下限值175HB。

里氏硬度计转换的布氏硬度值与实测布氏硬度值有一定的负偏差（约-10HB左右）。在满足里氏硬度测试条件下（试样的质量、厚度及表面处理等要求[5]）,偏差原因为硬度计换算关系不准确。里氏硬度计内置里氏硬度与布氏硬度的换算曲线，但曲线是基于碳钢和低合金钢硬度数据，对于F91高合金钢来说，存在一定的差异性，文献[6]表明，差异性主要来自屈强比。因此，在用里氏硬度计测试9Cr%钢时，考虑仪器带来的偏差对测试数据进行修正校核。

1.3 拉伸试验

在硬度试样上取样，分别进行常温及高温短时拉伸试验，试样规格为Ф10mm×长150mm。拉伸结果如表3和表4所示。

表1化学成分测试（wt%）

表2里氏转换布氏硬度和实验室布氏硬度结果

表3常温短时力学性能

表4高温短时力学性能

由表3和表4可见，硬度值偏低区域的试样，常温屈服强度和抗拉强度均低于ASME相关标准的要求，断后伸长率满足标准要求，屈强比在0．51～0．59区间。

高温下（530℃和600℃）屈服强度也低于标准要求。其中600℃的性能指标屈服强度为198MPa，530℃下的屈服强度为278MPa（通过内插法插值计算）。结果表明F91材料的试样随着硬度的降低，其强度也随之下降，但其塑性指标有所提升。当试样硬度值比下限值低15HB时，屈服强度相比标准要求最小值下降约25%，当硬度比下限值低20HB时，下降约33%。

“碳钢和低合金钢”里氏硬度与“高合金钢”的差异来自屈强比。

1.4 金相组织试验

图2是高旁喷管低硬度区域的显微组织形貌。从图2可以看出，基体组织为回火马氏体+铁素体。组织内虽然保持了一定的马氏体板条形貌，但是却发生了不同程度的铁素体化（图中箭头所示），部分区域内马氏体位向比较模糊，主要以铁素体组织存在。

图2 （a）高旁喷管金相组织

图2 (b)高旁喷管金相组织

2 喷管硬度偏低原因分析

通过对原始记录、安装记录、现场焊缝、母材检验和运行专业了解：原始记录档案室无记录，安装记录检验报告正常，现场连接管道和焊缝硬度、组织均正常；高旁阀后运行最高温度350℃左右，锅炉启动时最高温度为450℃，高旁阀后温度超过380℃时，自动投减温水，由此可以判定：喷管F91材料硬度偏低和组织异常是由F91制造过程中热处理工艺不当造成的。

正常情况下，对于F91锻件，热处理需要经历正火和回火两个阶段，正火温度范围应为1 040℃～1 095℃，回火温度不低于730℃。回火后形成均匀的板条马氏体组织。从前文试验结果看，造成喷管材质不良的原因是组织内出现一定量的铁素体，马氏体板条结构不明显。可以推断，高旁喷管回火过程中回火温度过高且保温时间较长，碳含量过饱和的马氏体板条在AC1以上温度部分奥氏体化，析出的碳在晶界处偏析，成为回复再结晶的新核，使原细密均匀的马氏体板条变得模糊；此外，参与奥氏体化的板条马氏体碳含量降低，降温过程缓慢[7]不足以形成板条马氏体的过冷度，继而形成强度硬度偏低的铁素体，因此高旁喷管硬度强度降低，而塑性提高。

3 处理方案

考虑到喷管硬度和金相组织不符合要求，通常处理方法是在检修期间进行更换或者回厂热处理和安全性评估监督运行。由于检修计划的因素，且该设备无备品，因此采用正火+回火的调质热处理工艺消除异常[8]。工艺如下：正火升温速度为125℃/h；1 050℃～1 068℃恒温1h后空冷；马氏体转变温度为100℃恒温2h；回火升温速度为140℃/h；恒温750℃～760℃，恒温3h后空冷，如图3所示。

图3 调质处理工艺

调质处理后，对喷管两侧、中间和内壁进行硬度测试，抽检2处进行金相试验。平均硬度范围为190HB～215HB，金相组织与F91正常组织相符，如图4所示。并对管道和法兰的变形情况进行测量，检验结果无变形，如图5所示。

图4 调质处理后金相组织

图5 变形情况检测

4 结论

(1)受监范围的金属材料及部件在入库、安装前后应严格按相应的国内外相关标准、行业标准的规定对其质量进行检验。

(2)喷管F91锻件母材硬度偏低，与其回火温度过高、保温时间长有关，可以通过正火+回火处理。

(3)采用里氏硬度计检测F91/P91，硬度值偏低应采用布氏硬度计进行校核，若无便携式硬度计，应采用对比试验进行修正。

(4)采用重新正火+回火（调质）处理恢复F91钢的力学性能，是基于传统马氏体钢的强化机理，而F91钢采用该工艺处理后的高温长期性能还缺乏系统的试验数据，尚需开展相关的试验研究工作，并跟踪现场管件运行过程中的组织性能演化情况。