摘 要:某電站鍋爐 T91耐熱鋼發(fā)生早期爆管失效,對(duì)該材料鋼管進(jìn)行矯頑力測(cè)量,并研究其組 織老化及性能降級(jí)規(guī)律。結(jié)果表明:鋼管在老化過(guò)程中,材料的硬度逐漸降低,矯頑力遞增,材料老 化與矯頑力遵循一定的函數(shù)變化關(guān)系;結(jié)合鋼管累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、檢驗(yàn)周期與矯頑力變化量,可動(dòng)態(tài) 評(píng)估鋼管在服役工況下發(fā)生嚴(yán)重老化的剩余時(shí)間。

關(guān)鍵詞:電站鍋爐;T91鋼;矯頑力;老化

中圖分類號(hào):TG142.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)06-0026-03

T91耐熱鋼具有持久強(qiáng)度高、抗蠕變能力強(qiáng)、疲 勞強(qiáng)度好,以及價(jià)格適中等特點(diǎn),在亞臨界、超臨界、 超超臨界發(fā)電機(jī)組的高溫承壓部件上得到廣泛應(yīng) 用[1-3],然而隨著鍋爐的超溫運(yùn)行、管子堵塞等問(wèn)題 的發(fā)生[4-5],鍋爐管爆裂事故率仍然很高,帶來(lái)巨大 的經(jīng)濟(jì)損失。T91是一種高鉻馬氏體耐熱鋼,其在 長(zhǎng)期服役過(guò)程中,經(jīng)高溫、高壓等作用,會(huì)發(fā)生不同 程度的顯微組織老化及性能劣化降級(jí),給機(jī)組的運(yùn) 行帶來(lái)隱患?，F(xiàn)階段并沒(méi)有較好的方法來(lái)評(píng)估管道 老化狀態(tài)及預(yù)測(cè)剩余壽命,都是通過(guò)割管檢驗(yàn)的方 法來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而割管檢驗(yàn)周期長(zhǎng),嚴(yán)重影響電廠的發(fā) 電效率。筆者以失效的 T91鋼管為研究對(duì)象,采用 矯頑力對(duì)鋼管進(jìn)行分析,并結(jié)合硬度試驗(yàn)和金相檢 驗(yàn)結(jié)果,研究材料老化與矯頑力之間的變化關(guān)系,通 過(guò)測(cè)量矯頑力就可無(wú)損、快捷地預(yù)測(cè) T91鋼管在任 意服役條件下的老化組織特征及剩余持久壽命。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

失效的過(guò)熱器管(見(jiàn)圖1)材料為 T91鋼,其鉻 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%~9.5%,鉬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為0.85%~1.05%,管子規(guī)格為51mm×7mm(外 徑×壁厚),過(guò)熱器出口壓力為18.20 MPa,工作溫 度為540 ℃,因鋼管組織出現(xiàn)過(guò)熱而在向火面發(fā)生 早期爆管[6],該鋼管已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行約36453h,爆管 使電廠出現(xiàn)非計(jì)劃性停機(jī),給電廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 試驗(yàn)方法

采用矯頑力對(duì)鋼管進(jìn)行表征,矯頑力屬于材料 磁滯特征參數(shù)。鐵磁性材料磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的變化 總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度 H 的變化,這種現(xiàn)象稱為磁 滯,其表征了鐵磁性物質(zhì)反復(fù)磁化過(guò)程中 B 與 H 之間的關(guān)系。當(dāng) H 減小為0時(shí),B 并不為0,而等 于剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。要使B 減為0,必須加一反 向磁化場(chǎng),而當(dāng)反向磁化場(chǎng)加強(qiáng)到-Hc 時(shí),H 才為 零,此時(shí) Hc 稱為矯頑力。

基于材料磁滯行為的矯頑力對(duì)材料顯微組織演 變、材料損傷與應(yīng)力等具有高度敏感性和較強(qiáng)的抗 干擾能力,主要應(yīng)用于鐵磁性分析試樣中,尤其對(duì)存 在嚴(yán)重老化或應(yīng)力敏感區(qū)材料的篩查。測(cè)量矯頑力 的方法快速、方便,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),通過(guò)更換 CMP-10/30兩種不同規(guī)格的探頭,可滿足最大壁厚 或厚度為30mm 的鋼管或鋼板等的測(cè)試要求。筆 者采用 MC-WF-04型磁滯無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)失效的 T91鋼管進(jìn)行磁性矯頑力測(cè)量,結(jié)合顯微組織分析 和維氏硬度試驗(yàn),研究鋼管老化過(guò)程中材料矯頑力 的變化規(guī)律。

1.3 金相檢驗(yàn)

分別 對(duì) 失 效 T91 鋼 管 的 爆 口 位 置、距 爆 口 100mm 位置(上端側(cè))、端部位置(上端側(cè))及定期 檢驗(yàn)的 T91割管試樣的橫截面進(jìn)行環(huán)向取樣,打磨 拋光后采用 Axiovert200MAT 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行 顯微組織分析。

材料老化評(píng)級(jí)參考標(biāo)準(zhǔn) DL/T884—2019 《火 電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》,試樣的金相檢驗(yàn)結(jié) 果表明:失效的 T91 鋼 管 材 料 均 為 回 火 馬 氏 體 組 織,鋼管向火面老化程度明顯高于背火面,其中爆口 位置向火面老化級(jí)別達(dá)5.0級(jí);管樣上端背火面老 化級(jí)別僅為3.0級(jí);在各個(gè)試樣的其他位置觀察到老 化級(jí)別為4.5,4.0,3.5級(jí);觀察定期檢驗(yàn)割管試樣,其 材料為回火馬氏體組織,晶粒度與失效的T91鋼管晶 粒度基本保持一致,材料老化級(jí)別為2.5級(jí)。T91鋼 管在不同老化級(jí)別下的顯微組織形貌如圖2所示。

1.4 維氏硬度試驗(yàn)

依據(jù) GB/T4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》,采用 Durascan-70型維氏硬 度計(jì)對(duì)顯微組織老化級(jí)別為2.5~5.0級(jí)的鋼管位 置進(jìn)行硬度試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。隨著鋼管老化 級(jí)別逐漸增加,材料維氏硬度檢測(cè)結(jié)果逐漸遞減;當(dāng) 老化級(jí)別接近4.0級(jí)時(shí),維氏硬度接近DL/T438— 2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》附錄 C 中的 下限值;當(dāng)老化級(jí)別達(dá)4.5級(jí)時(shí),維氏硬度明顯低于 標(biāo)準(zhǔn)的下限值,力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯劣化。

1.5 矯頑力測(cè)量

采用 MC-WF-04型磁滯無(wú)損檢測(cè)設(shè)備對(duì)顯微 組織老化級(jí)別為2.5~5.0級(jí)的鋼管位置進(jìn)行矯頑 力測(cè)量,測(cè) 量 結(jié) 果 如 表 1 所 示。對(duì) 于 老 化 級(jí) 別 為 2.5~5.0級(jí)的鋼管位置,隨著鋼管老化級(jí)別逐漸增 加,材料的矯頑力逐漸遞增。

2 分析與討論

隨著鋼管試樣組織老化程度的加劇,硬度呈現(xiàn) 為單調(diào)遞減的趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)。由于鋼管材料長(zhǎng)期在 高溫條件下運(yùn)行,碳化物沉淀相會(huì)逐漸析出、聚集和 粗化,固溶體中合金元素的脫溶和貧化現(xiàn)象越嚴(yán)重, 基體固溶度越弱,材料硬度越低[7-8] ;當(dāng)鋼管老化程 度接近 4.0 級(jí)時(shí),硬度已不滿足 DL/T438—2016 附錄 C中的要求。

隨著鋼管試樣老化級(jí)別的增加,矯頑力逐漸遞 增(見(jiàn)圖3)。當(dāng)磁疇壁移動(dòng)受到阻力或疇壁內(nèi)磁矩 改變受到阻力時(shí),矯頑力都將受到影響[9],隨著 T91 鋼的不斷老化,在老化過(guò)程中:① 晶粒內(nèi)溶質(zhì)元素 逐漸析出,并向晶界聚集,其晶格格點(diǎn)被雜質(zhì)、空穴、 異類原子(置換式或間歇式)所占領(lǐng)或同類原子的排 布不同都可被看成點(diǎn)缺陷,由于點(diǎn)缺陷的數(shù)量多,且 分布相對(duì)均勻,其對(duì)疇壁的相互作用力將被抵消,對(duì) 于疇壁移動(dòng)的釘扎作用不明顯;② 碳化物粗化并與 鐵、鉻、鉬、釩等元素形成碳化物,在高溫環(huán)境下,晶 界、亞晶界以及板條界上形成細(xì)小 Laves相,晶界碳 化物空間為一種面缺陷,會(huì)形成較大作用范圍的釘 扎中心,Laves相對(duì)晶界的釘扎都將約束疇壁的自 由移動(dòng),最終使得材料矯頑力測(cè)量值逐漸增加[9-11]。 結(jié)合維氏硬度與矯頑力的擬合曲線可知,當(dāng)鋼管試 樣硬度下降至標(biāo)準(zhǔn)下限值185HV 時(shí),其對(duì)應(yīng)的矯 頑力為9.6A/cm。

DL/T438—2016規(guī)定,在電 廠 過(guò) 熱 器 和 再 熱 器管檢驗(yàn)監(jiān)督的過(guò)程中,當(dāng)材料為 T91的鋼管組織 老化級(jí)別為5級(jí)時(shí),應(yīng)割管進(jìn)行材料評(píng)定和壽命評(píng) 估工作。鋼管老化級(jí)別與矯頑力的關(guān)系如圖 4 所 示,老化級(jí)別A 與矯頑力測(cè)量值 Hc 之間的函數(shù)關(guān) 系如式(1)所示。

由于鋼管老化級(jí)別與服役時(shí)間的關(guān)系未知,且 高鉻馬氏體耐熱鋼的高溫加速老化試驗(yàn)復(fù)雜(通常 包括高溫加速組織老化與較低溫下 Laves相的析 出),因而較難用單一工況下的服役時(shí)間表達(dá)其老化 級(jí)別變化情況。結(jié)合鋼管定期檢驗(yàn)周期間隔時(shí)長(zhǎng) ΔT、矯頑力變化量ΔHc 及鋼管的累積運(yùn)行時(shí)間T, 并根據(jù)矯頑力與老化級(jí)數(shù)關(guān)系系數(shù)0.67,可推導(dǎo)出 鋼管距離嚴(yán)重老化(5級(jí))的動(dòng)態(tài)剩余時(shí)間 TR 的函 數(shù)關(guān)系,如式(2)所示。

3 結(jié)語(yǔ)

材料在老化過(guò)程中,硬度與矯頑力表現(xiàn)為單調(diào)遞 減或遞增的變化關(guān)系。通過(guò)定期檢驗(yàn)鋼管矯頑力的 變化情況,工作人員可動(dòng)態(tài)評(píng)估鋼管在當(dāng)前服役工況 下的持久壽命衰減情況,了解材料嚴(yán)重老化的剩余時(shí) 間,防止因材料老化失效導(dǎo)致的事故發(fā)生,該檢測(cè)方 法方便快捷,具有較大的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用空間。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>6期(pp:26-28)>