磁滞无损评估技术在电站高温管道劣化评估上的应用研究

吴胜平，陈城，赵培征

(1. 江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210000；2. 北京康坦科技有限公司，北京 100123)

0 引言

电站高温管道在运行过程中会发生组织老化和蠕变损伤，使管道的断裂韧性和强度降低，甚至发生爆管[1-3]。因此，检验电站高温管道材质的损伤状态，进而对管道的强度、断裂韧性和剩余寿命进行评估，是保证电站机组安全运行的前提。目前电站高温管道的劣化评估仍然主要采用在实验室对取样材料进行短时蠕变试验和持久断裂试验，随后对持久强度、蠕变极限数据进行外推，最终确定高温部件在实际服役工况下的剩余寿命[4-6]。从材料损伤的微观角度出发，则是通过金相组织观察，根据晶界孔洞、碳化物颗粒大小来评价材料的蠕变损伤度，进而预测高温部件的剩余寿命。然而上述实验评估方法都是基于破坏式的试验分析，对在役管道的剩余寿命评估不适用；常规的超声、射线、涡流等无损检测手段又只能对管道的宏观缺陷进行检测，对这些在宏观缺陷产生之前的隐性损伤就显得无能为力[7-8]。

在高温管道材料服役前至宏观缺陷出现之前，材料的劣化是以微观损伤的形式累积的；累积到一定程度后，材料机械性能快速恶化，给电站安全运转带来极大隐患；而材料在整个劣化降级过程中磁滞参数(如矫顽力值)会逐渐变化，因此可以通过测量材料的磁滞参数来反映材料当前的劣化损伤状态从而预测残余寿命。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本文选用的是电站高温管道常用材料P22钢，质量分数见表1。

表1 试验用P22材料质量分数 单位：%

P22钢为美标钢，是最普遍使用的合金热强钢，持久塑性好，当延伸率达到3%～5%时才开始蠕变第三阶段。其广泛用于火电、核电、石化等各个行业中和工作温度 540℃～750℃的各种受热面管道。如高压、超高压、亚临界电站锅炉、过热器、集箱和主蒸汽导管等。

1.2 试验方法

1)蠕变试验

本文对P22材料展开了高温蠕变试验，试验参数为：应力110MPa，蠕变温度600℃。在高温蠕变试验机上进行，试验参考GB/T2039—2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》进行，试样尺寸如图1所示。

图1 厚度3mm的矩形截面持久试样

根据DL/T654—2009《火电机组寿命评估技术导则》，P22的L-M(拉森-米勒)由式(1)表示：

p(σ)=T1(20+logt)

(1)

则p(σ)=36000，T1=610×1.8+32+459.67=1571.67。

预估t=794h，实测857h。根据该断裂时间，计算蠕变寿命的20%、40%、60%和80%的中断时间，再次进行蠕变中断试验。

2)磁滞参数测量试验

采用某公司研发的磁滞无损评估设备(MC-04H-2)和CMP-10探头对不同蠕变寿命的试样(即初始状态试样、蠕变寿命的20%、40%、60%、80%和断裂试样)进行磁滞参数矫顽力的测量。该设备采集数据仅需3s，测量速度快，重复性好。探头可以提离6mm，无需打磨清理工件表面涂层，属于非接触式测量技术，可用于实验室和实际在役管道现场测量。因此，采用该设备对电站在役管道进行现场测量评估。

3)金相试验

参照DL/T999—2006《电站用2.25Cr-1Mo钢球化评级标准》，对不同蠕变寿命的试样进行金相分析。将待进行金相观察的试样进行机械打磨抛光，用3%的硝酸酒精混合溶液进行侵蚀，侵蚀时间100s，然后用ImagerA1M型光学显微镜(optical microscope, OM)观察试样金相组织。

4)硬度试验

参照DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》对不同蠕变寿命的试样进行硬度检测。采用维氏微观硬度计进行硬度测量。

2 试验结果及分析

2.1 微观组织及硬度检测结果

P22材料在不同寿命阶段的微观组织如图2所示。P22原始组织是铁素体+贝氏体组织。由于含Cr量稍高，铁素体组织中亦可见少量碳化物析出。随着试验时间的延长，贝氏体区域中的碳化物逐渐开始分散，晶界上也开始有少量碳化物析出。硬度变化不大，在HV150～HV170之间波动，见表2。

图2 P22原始及在不同寿命阶段的组织(铁素体+贝氏体)

表2 P22 原始态及不同寿命阶段的硬度测量结果及金相组织评级

2.2 磁滞测量结果

矫顽力与蠕变寿命的关系如图3所示。

图3 矫顽力与蠕变寿命的关系

由图3可知，P22材料在蠕变寿命的前80%以内，矫顽力是逐渐降低的，从6.2降低到4.8；在80%～100%，矫顽力略有增加，增加到5.5。

袁超等[9]认为，在高温蠕变过程中，材料中的碳化物分解出来的碳原子沿晶界扩散，导致基体产生更小的应变，并且最终耗尽间隙原子中的碳含量。随着蠕变时间的延长，碳化物不断增长、合并，减少了钉扎中心的数量，并且钉扎点之间的距离增大，钉扎密度开始减小。因此，随着蠕变应变的积累，矫顽力逐渐降低。DEVINE M K等[10]也认为，在蠕变初始阶段后期和稳定蠕变阶段，已形核的孔洞持续长大、碳化物进一步球化，随着大孔洞的形成，位错和空位转移到晶粒边界，阻碍磁畴壁运动的钉扎点将减少，蠕变稳定阶段阻碍磁畴壁运动的钉扎点的减少造成材质矫顽力下降。辛甜等[11]认为，在塑性变形过程中，矫顽力随位错密度的降低而大幅度减弱。到了蠕变第三阶段，Laves 相( Fe2Mo)等脆性相形成，其体积较大，无法对畴壁运动造成钉扎作用，因此矫顽力持续下降。但是本研究中，在断裂时出现了矫顽力增加的情况，分析原因，可能是由于本研究测量的100%寿命的蠕变试样是发生断裂的试样，在最终断裂时，由于大变形的存在，导致了矫顽力的增加。

考虑到实际服役材料在进行寿命评估的时候并不会发生断裂(否则评估已经没有意义，应该进行的工作是失效分析)，因此本研究中直至80%寿命的研究结果均具有参考意义。

2.3 现场测量验证

对淮安某电厂锅炉服役2.95×104h P22过热器管母材矫顽力实际测量4次(5.4、6.3、5.3、6.2)，取平均值(5.8)进行对比。假设设计寿命为20×104h ，则2.95×104h 相当于15%的寿命。对扬州某电厂服役约12.7×104h P22主蒸汽管母材矫顽力实际测量4次(4.9、5.4、5.5、4.9)，取平均值(5.18)进行对比。假设设计寿命为20×104h，则12.7×104h相当于63.5%的寿命。对比结果如图4所示。从图中可以看出，实际服役管线坐标点与通过试验建立的寿命阶段-矫顽力关系曲线变化规律一致。

图4 实际服役P22管母材矫顽力测量结果与曲线的对比

对比结果表明，实际服役管线钢测量值与预测曲线吻合较好。这说明本研究给出的矫顽力-蠕变寿命百分比关系曲线是可信的。

以上分析结果显示，矫顽力随着服役寿命消耗比例的增加而降低，对寿命预测模型进行统一，随后对矫顽力降低比例与蠕变寿命耗损之间的关系进行了研究。

P22材料矫顽力降低比例与蠕变寿命耗损之间的关系如图5所示。从图中可以看出，矫顽力降低比例随着蠕变寿命耗损比例的增加而增加，在0%～80%寿命范围内，近似符合线性关系，如图6所示，线性关系可以写成y=Ax-B(A可取29.84，B可取1.61)。

图5 P22管母材矫顽力减少量与蠕变寿命阶段关系曲线

图6 P22管母材矫顽力减少量与蠕变寿命耗损关系式

3 结语

1)试验结果表明，P22材料矫顽力随着蠕变损伤的增加逐渐下降，矫顽力降低比例与蠕变寿命耗损之间存在线性关系。

2)根据试验结果，如果矫顽力降低幅度达到15%以上，说明蠕变寿命已经进入到中后期(蠕变寿命损耗已超过60%左右)，需要引起使用单位的注意。

3)在试验过程中，发现试样发生蠕变断裂后(100%蠕变寿命)，矫顽力会出现增大现象。这主要是由于断裂时材料发生了显著的塑性变形所致。但是在实际服役过程中，在发生蠕变断裂时，矫顽力如何变化，尚未得到相关数据，有待后续继续研究。

4)通过对P22材料的试验研究和现场测量验证表明，磁滞无损评估技术是一种有效的检验电站高温管道蠕变劣化的无损检测手段，本文只对P22材料进行了初步研究，线性关系中的A、B两位常数仍需大量试验去修正，其他材料的磁滞参数与蠕变损伤的关系，有待进一步研究。