高溫蒸汽管道材質檢驗初探

王海林

（揚子石化分公司熱電廠，江蘇 南京 210048）

管道發生珠光體球化不但影響管道材料的室溫抗拉強度和屈服極限，還會使材料的蠕變極限和持久強度下降，從而影響管道的安全使用。某電廠高溫蒸汽管道于2008年開工建設，管道全長1860m。該管道的相關參數如下：管道規格為φ273×22，管道材質為12Cr1MoVG，設計壓力為10MPa，設計溫度為540℃，運行壓力為9.1～9.5Mpa，運行溫度為525～540℃。該管道于近期進行全面檢測，金相檢測抽查發現管道彎頭存在珠光體球化3.5級問題，為分析彎頭材質珠光體球化對管道繼續安全運行的影響，確保該管道的長周期安全穩定運行，因此，對該管道進行了割管取樣，對樣件進行了各項性能試驗，為高溫蒸汽管道的安全使用提供判斷依據。

1 化學成分

依據GB/T 223-2008《鋼鐵及合金化學分析方法》及相關檢測標準，對送檢管進行化學成分分析，取樣管成分檢驗結果如表1所示。

表1 管道化學成分檢驗結果

化學成分檢驗表明：送檢高溫蒸汽管道化學成分滿足GB/T 5310-2017標準要求。

2 金相檢驗

依據DL/T 884-2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》對送檢管進行金相檢驗，該試驗在金相顯微鏡蔡司“Axiover”200MAT下觀察，金相結果如表2所示，金相組織如圖1和圖2所示。

圖1 放大倍數200×金相組織

圖2 放大倍數500×金相組織

表2 金相檢驗結果

金相檢驗表明：送檢高溫蒸汽管道母材金相組織為鐵素體+珠光體，老化等級為3.5級。

3 硬度試驗

根據GB/T 231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第 1部分：試驗方法》，試樣表面經金相砂紙磨光，并進行拋光處理，采用全自動布氏硬度計。測試設備為XHBT-3000ZⅢ全自動布氏硬度計，試驗條件：負荷187.5kg、負荷保持時間10s。試驗結果如表3所示。

表3 硬度檢驗結果

硬度試驗表明：送檢高溫蒸汽管道母材硬度值滿足DL/T438-2016標準要求。

4 拉伸試驗

4.1 室溫拉伸

依據GB/T 228.1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，在AG-IC島津電子拉伸萬能試驗機上進行，屈服前加載應變速率不高于0.00025/s，屈服后加載應變速率不高于0.0067/s，條件屈服強度使用引伸計測定，采用φ10圓棒狀樣，縱向取樣，試驗結果如表4所示。

表4 室溫拉伸試驗結果

室溫拉伸表明：送檢高溫蒸汽管道室溫抗拉強度和室溫屈服強度滿足 GB/T 5310-2017標準要求。

4.2 高溫拉伸

參照GB/T 228.2-2015《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，在MTS-880電液伺服試驗機上進行，屈服前加載位移速率介于0.0000167/s～0.000083/s，屈服后加載應變速率介于0.00033/s～0.0033/s，采用圓棒狀試樣，條件屈服強度使用引伸計測定。拉伸試樣的加熱在試驗機附屬的管式加熱爐中進行，采用雙熱電偶測控溫度，一個熱電偶測控爐膛溫度，另一熱電偶靠近試樣放置，并以此熱電偶為準進行試樣溫度的測控，試驗溫度選取540℃。采用φ10圓棒狀樣，縱向取樣，送檢管高溫拉伸試驗結果見表5。

表5 高溫拉伸試驗結果

高溫拉伸表明：送檢高溫蒸汽管道高溫屈服強度滿足GB/T 5310-2017標準要求。

5 室溫沖擊

材料的沖擊性能也是鍋爐高溫部件用金屬材料性能的必要保證條件之一。本次試驗采用AMSLER RKP450沖擊試驗機，依據GB/T 229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》進行試驗，試驗結果見表6。

表6 室溫沖擊功結果

室溫沖擊結果：送檢高溫蒸汽管道母材室溫沖擊功滿足GB/T 5310-2017標準要求。

6 韌脆轉變溫度

脆性轉變溫度是反映材料長時高溫運行脆化敏感性的一個重要指標，脆性轉變溫度越高，材料的老化損傷就越嚴重，其性能下降（劣化）也就越明顯，而且常溫下的脆性也越大。

本次試驗采用Zwick RKP 450沖擊試驗機，對樣品段進行了不同溫度下的系列沖擊試驗，通過測定不同試驗溫度下各試樣斷口的晶狀脆性斷面率（即脆性面積比）來繪制出脆性轉變溫度曲線（圖3），并以曲線上脆性面積比為50%的溫度作為脆性轉變溫度，試驗結果見表7。

表7 管道母材韌脆轉變溫度試驗結果

圖3 管道母材韌脆轉變溫度曲線

7 設計壁厚校核

按照 DL/T 5054-2016《火力發電廠汽水管道設計規范》，對于承受內壓應力的汽水管道，直管的最小壁厚如式（1）所示：

式中，Sm為直管的最小壁厚，mm；Do為管子公稱外徑，mm；Y為溫度對計算管道壁厚修正系數，對于鐵素體鋼，在538℃及以上時取0.7，在482℃及以下時取0.4；P為設計壓力，對于超臨界以下參數的機組，設計壓力應取用鍋爐最大連續蒸發量時對應的過/再熱器出口額定工作壓力；C為考慮腐蝕、磨損和機械強度要求的附加厚度，對于一般的汽水管道，可不考慮腐蝕和磨損的影響；[σ]t為鋼材在設計溫度下許用應力，12Cr1MoVG 在運行溫度下的持久強度推薦值見GB/T 5310-2017，設計溫度應取鍋爐過熱器出口蒸汽額定溫度加上鍋爐正常運行時允許的溫度偏差值，當鍋爐制造廠未提供溫度偏差時，溫度偏差可取用5℃。

將相關數據代入式（1），得到管道最小允許壁厚，計算結果見表8，經計算，取樣管設計壁厚滿足DL/T 5054-2016 標準要求。

表8 管道設計壁厚校核計算表

8 結語

（1）送檢管表面無明顯的裂紋、折疊、軋折、重皮、結疤、離層及尖銳劃痕等異常特征，宏觀尺寸規格滿足GB/T 5310-2017和DL/T 5054-2016設計要求，化學成分滿足GB/T 5310-2017標準要求。

（2）送檢管顯微組織為鐵素體+珠光體，貝氏體區域內的碳化物顯著分散，碳化物呈現球狀，部分碳化物析出分布于鐵素體晶界上，組織老化等級為3.5級，材料硬度滿足DL/T438-2016標準要求。

（3）送檢管室溫拉伸性能、高溫屈服性能與室溫沖擊性能均滿足GB5310-2017標準要求，彎曲試驗后試樣外表面無肉眼可見裂紋，韌脆轉變溫度FATT50=25℃。