高溫蒸汽管道的組織性能和剩余壽命分析

李剛 李仕力 陳智 陳釩

摘 要：本文通過化學成分、力學性能和微觀組織分析等試驗，對發生球化的P22蒸汽管道材質組織性能進行了分析。P22材質在500℃高溫下服役約21年后，其室溫屈服強度仍在338MPa以上，抗拉強度在534MPa以上，520℃高溫拉伸屈服強度仍在200MPa以上，0℃下的夏比沖擊吸收功達到110J，硬度、微觀組織等均符合相關標準要求。根據DL/T 940—2005《火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》等相關標準對管道剩余壽命進行了二級評估。

關鍵詞：球化；蒸汽管道；P22；組織性能

中圖分類號：TK22 文獻標志碼：A

0 引言

某蒸汽管道于1994年建成，在2016年進行全面檢驗時現場金相檢驗發現管道存在中度球化，評定為3級。為了全面評價該管道的材料服役狀態，對管道材料分別進行了化學成分、力學性能和微觀組織分析等試驗，對材質組織性能進行分析，并根據DL/T 940—2005《火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》等相關標準對管道剩余壽命進行評估。

1 材料和試驗

該管道規格為Φ324×39.2mm，材質為P22，實際使用溫度515℃，實際使用壓力11.7MPa，設計最高溫度553℃，設計最高壓力13.73MPa 。依據相關標準，對管道材料分別進行了化學成分、常溫拉伸、高溫拉伸、硬度和夏比沖擊等力學性能測試試驗，對材料微觀組織進行了分析。

2 理化性能分析

2.1 化學成分

根據GB/T 20123—2006和GB/T 20125—2006對管道進行成分分析，化學成分符合標準ASTM A335/A335M的要求。

2.2 拉伸性能

沿管道的軸向制取3個拉伸試樣，根據GB/T 228.1—2010進行室溫拉伸試驗，拉伸試驗測試結果見表2。抗拉強度最低為534MPa，規定塑性延伸強度最低為338MPa，最低伸長率27.0，均滿足標準ASTM A335/A335M的要求。

沿管道的軸向制取兩個高溫拉伸試樣，根據GB/T 228.2—2015進行高溫拉伸試驗，試驗測試結果見表1。P22對應國內牌號為12Cr2MoG，GB 5310—2008中對12Cr2MoG的高溫拉伸要求為500℃下Rp0.2≥173MPa，550℃下Rp0.2≥159MPa，520℃、530℃下的高溫拉伸性能均滿足標準GB 5310—2008的要求。

2.3 沖擊性能

根據GB/T 229—2007，對母材的沖擊韌性進行測試，以評價其斷裂韌性是否滿足要求。由焊縫金屬的夏比沖擊吸收功測試結果可知，母材的沖擊韌性較好，在室溫和0℃下的沖擊吸收能量均在120J以上。ASTM A335/A335M對P22的沖擊性能沒有具體要求，GB 5310—2008中對其相似牌號12Cr2MoG的沖擊要求為縱向≥40J，橫向≥27J，試驗結果符合標準要求。

2.4 硬度

根據GB/T 2654—2008進行硬度試驗，表2為焊接接頭的硬度測試結果，在焊縫橫截面的上表面和下表面分別沿著兩條線測試硬度，測試位置如圖1所示。焊縫金屬和近縫區的硬度較高。

3 金相組織

在管段環焊接頭上制取焊縫橫截面金相試樣，對金相試樣進行觀察分析。焊縫宏觀金相顯示無裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷。

母材的金相組織為貝氏體+少量鐵素體，管道在高溫下服役已經發生了一定程度的組織球化，貝氏體區域仍然存在，方向性開始消失，雖然仍保留原有的區域形態，但內部的碳化物開始往晶界析出，發生分散球化，球化組織級別為2級傾向性球化。

4 壁厚校核

按GB/T9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》計算管道的理論壁厚，管道的壁厚最小值不低于23.66mm，管道壁厚滿足最小值要求。

5 剩余壽命分析

查閱已有的資料，根據P22（10CrMo910）L-M曲線，可得管道使用壽命為457088h。管道自1994年9月建成至今已運行203670h，則在不考慮其他材料損傷和失效模式的情況下，該管道基于高溫蠕變的剩余壽命為253418h。通過對樣管進行拉伸、沖擊、硬度和微觀組織等試驗，樣管的各項力學性能仍滿足標準要求，組織球化級別為2級傾向性球化，在材質損傷老化的基礎上，取經驗安全系數為1.8，則剩余壽命為140787h，即16年。

結語

（1）鋼管的性能檢測結果較好。

（2）母材的金相組織為貝氏體+少量鐵素體，管道材料球化組織級別為2級傾向性球化。

（3）經壁厚核算，在服役工況下管道最小壁厚為23.66mm，樣管壁厚滿足最小壁厚要求。

（4）鋼管材料組織性能良好，未發生較嚴重的老化，在目前的工況不變的情況下（包括服役溫度、運行壓力等參數）剩余壽命為16年。由于實際材料的性能波動以及現場服役過程中各種不確定因素的影響，剩余壽命評估結果僅供參考。

參考文獻

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