低硬度P91钢主蒸汽管道弯头组织性能分析

苑振平,李文彬

(1.沧州华润热电有限公司,河北 沧州 061001;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

主蒸汽管道的检验和监督对保障机组的长期安全运行具有至关重要的作用。P91钢以其良好的热强性能、焊接性能和工艺性能以及对应力腐蚀开裂不敏感和生产成本低等特性,已成为我国火电机组的主力钢种之一[1],我国几乎所有新建亚临界、超临界机组都采用P91钢作为主蒸汽管道等重要高温承压部件。

某电厂1号炉型号为B&WB-1025/17.5-M,亚临界参数、一次中间再热,固态排渣,单炉膛平衡通风,半露天布置,全悬吊结构,单锅筒自然循环。其主要性能参数如下:额定蒸发量为1 025 t/h,过热器出口压力17.5 MPa,再热器出口压力3.55 MPa,汽包工作压力为18.75 MPa,过热器出口温度为540℃,再热器出口温度540℃,给水温度为279℃,2009年6月投产,到2019年锅炉内部定期检验时已运行8万多h。该机组采用P91钢作为主蒸汽管道的用材,在本次锅炉内部定期检验抽查过程中发现2个弯头背弧处硬度及组织异常。

1 异常弯头概况

异常弯头规格为ID 273.05×31 mm,材质为P91钢,弯头现场检测可知3号弯头布氏硬度152、7号弯头布氏硬度155。DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》规定P91钢管件的布氏硬度应控制在180～250。所检2个异常弯头硬度低于标准要求,因为现场硬度检验采用的是里氏硬度计,考虑可能存在偏差,对该2个弯头进行了金相检验,异常组织金相组织见图1。

由金相检验结果可知2个弯头均存在大量的块状组织,仅见少量板条马氏体组织,均属于异常组织。

图1 现场金相检验结果(200×)

2 取样试验

2.1 化学成分分析

对3号弯头试样进行化学成分检测,试验结果见表1,化学成分满足标准ASME SA335-2018《高温用无缝铁素体合金钢管》要求。

表1 化学成分分析 %

为了研究该低硬度P91钢主蒸汽管道弯头组织性能,对3号弯头正背弧处取样进行试验分析。

2.2 金相检验

对3号弯头试样进行壁厚方向上金相检验,检验结果见图2。根据检验结果可知在异常P91钢弯头背弧壁厚方向上近外表面和近外表面组织均为白色块状铁素体组织和黑色块珠光体状组织及少量板条马氏体组织,内外表面组织无明显差异。通过仔细观察非马氏体区域,可见粒状物在晶内和晶界明显长大。进一步使用显微硬度计对板条马氏体区域和非马氏体区域进行测试,马氏体区域维氏硬度为195,换算为布氏硬度约为185,非马氏体区域维氏硬度为165,换算为布氏硬度约为157。

图2 3号弯头金相检验

2.3 力学性能试验

对3号弯头试样进行常温力学拉伸试验,试验结果见表2,由试验结果可知,拉伸试验结果屈服强度低于标准要求,抗拉强度达到ASME SA335-2018《高温用无缝铁素体合金钢管》要求的下限。

表2 拉伸试验结果

3 原因分析

P91钢的强化机理除弥散析出强化外,更以固溶强化、马氏体强化、细晶界面强化、位错强化等复合强化使得钢获得良好的热强性。通过严格限制损害塑性和韧性的杂质元素以及Nb、V等元素的微合金化和形变热处理工艺,获得极为细密的回火马氏体[2]。

P91钢低碳马氏体强化,固溶强化、位错强化、细晶强化及二次相弥散强化等多种强化方式实现是在化学成分合格的基础上,依赖正确的制备工艺实现的,如其精确的温度控制和反复控轧以最终热处理。

弯管是在直管合格基础上通过再次加热弯管,再进行整体热处理完成[3-4]。弯管时的加热和冷却会产生组织和内部应力的变化,后续的整体热处理是为了恢复正常的组织。当正火温度过高时,特别是超过1 100℃时晶粒长大速度会很快,当正火温度低于950℃时,有些组织未被熔入奥氏体,冷却时会形成不均匀的组织。另外正火时的冷却速度也很关键,当冷却速度过慢时,奥氏体无法转化成马氏体,而是以铁素体和碳化物的形式存留下来,这样的组织硬度低、强度也低,不能满足使用要求。

非正常的P91钢金相组织主要表现为以下几个方面:组织中未见马氏体;组织不均匀,有白色块状组织;组织中存在粗大的位向差很大的马氏体板条;组织晶粒大小不均。同时,问题组织伴随着性能的恶化,总体表现为硬度偏低,最低可达HB 117,大多为HB 130～170。其中,以等轴形貌非马氏体组织的硬度最低。

由于国内早期弯管厂家对P91钢材料认识不足,工艺控制不当,出现了大量的制造缺陷,在机组的安全性能检验及运行监督过程中,P91钢管材及管件等硬度偏低和原始组织不正常频繁发生。P91钢的组织和性能与热处理工艺密切相关,现场只能采用测试硬度和抽查金相组织的方法进行检验。本次检验出的2个P91钢异常弯头其硬度值低于标准要求,其金相组织为铁素体、碳化物、马氏体混合物,马氏体有明显的团块区域特点,弯管正火中温度不足,冷却速度过慢,未奥氏体化的组织保存下来,形成回火的马氏体,当温度过高时全部奥氏体化,冷却速度过慢时不会有马氏体团块出现,因此推断为弯管正火时温度不足,其粗大的组织是继承的原始直管的组织。因此认为弯管热处理时,存在炉温失控、冷却不当等问题,正火和回火工艺未能够规范实施,从而导致形成不正常的组织和较低的性能。

4 结论及建议

经对异常弯头取样分析可知,P91弯头化学成分合格,金相组织仅见少量马氏体板条,组织粒子长大明显,内外壁组织相差不大,常温屈服强度低于标准要求。经分析认为硬度偏低、金相异常弯头是由于在制造加工过程中热处理工艺不当造成的。对硬度偏低组织异常P91弯头建议更换处理,或重新进行正火和回火处理。