低硬度P91鋼現(xiàn)場安全性評價及更換技術(shù)

馬志寶，蔡文河，李煒麗，林宗賀，董樹青，李飛

(1.中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100040；2.河北大唐國際唐山熱電有限責(zé)任公司，河北 唐山 063015)

0 前言

P91鋼具有良好的高溫持久強度和較佳的抗氧化性，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機組鍋爐高溫集箱、蒸汽管道等[1-4]。近年來，部分火電廠發(fā)現(xiàn)其P91鋼材質(zhì)的集箱和管道硬度偏低，不滿足DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求185～250 HB。主要原因是早期ASME標(biāo)準(zhǔn)對其硬度無下限要求，大量低硬度P91投入運行；P91在二次加工過程中導(dǎo)致硬度降低；在現(xiàn)場組焊焊后熱處理過程中回火溫度過高，回火時間過長導(dǎo)致的P91軟化[5]。研究表明[6-8]，低硬度P91其高溫持久強度隨硬度下降呈下降趨勢，160 HB硬度P91在540 ℃下的屈服強度和抗拉強度分別下降了57%和33%，外推1×105h的持久強度相較GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》推薦值降低一半。可見低硬度P91高溫服役管道在運行中存在較大的安全風(fēng)險，需要進行安全性評價和壽命評估。

經(jīng)現(xiàn)場快速評估[9]后，部分高溫服役P91管道剩余壽命較短，需要進行更換處理。國內(nèi)相關(guān)人員對火電機組P91管道現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制進行了大量的研究和現(xiàn)場實踐，取得了一些經(jīng)驗[10-15]，但是對低硬度管道的焊接和熱處理精準(zhǔn)控制研究方面未見報道，且在P91管道現(xiàn)場焊后熱處理過程中，仍然存在焊后熱處理質(zhì)量失控狀態(tài)[16]，究其原因，主要在于熱電偶綁扎不牢，溫控儀表顯示偏差大及熱處理工藝制定不合理等。文中通過對某電廠低硬度P91主蒸汽管的安全性評價和更換操作實踐，為此類問題的解決提供參考。

1 P91主汽管道硬度檢測

1.1 概況

河北某30萬亞臨界機組于2004年1月投運，至今累計運行12萬余小時。該鍋爐由上海鍋爐廠供貨，型號為SG1025/17.6-M859，最大連續(xù)蒸發(fā)量1 025 t/h，主汽溫度為540 ℃，壓力為17.35 MPa，再熱蒸汽溫度540 ℃；燃燒方式為四角切圓燃燒。2020年9月，需要對6.3 m汽機平臺上主汽管道進行檢驗，材質(zhì)為P91，規(guī)格Di273.05 mm×31 mm。檢測管道位置如圖1所示。

圖1 汽機6.3 m平臺主蒸汽管道位置示意圖及實物圖

1.2 硬度檢驗情況

現(xiàn)場采用瑞士 EQUOTIP 550便攜式里氏硬度計按GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對P91主汽管道彎頭、直管母材、焊縫和熱影響區(qū)進行檢驗，發(fā)現(xiàn)編號為W1，W2，W3局部硬度偏低，并采用便攜式布氏硬度計進行校核，檢驗結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 W1彎頭硬度檢測情況

圖3 W2硬度檢測情況

圖4 W3硬度檢測情況

W1硬度偏低區(qū)域為背弧A-E點，長度約為1 100 mm，外弧中心線上下各125 mm。W2硬度偏低區(qū)域為背弧D點至H4焊縫左側(cè)，長度約為150 mm，外弧中心線上下各150 mm；H3-H4焊縫之間的短節(jié)，長度約為300 mm，硬度偏低點在順氣流方向以3點為中心線，上下各150 mm。W3硬度偏低區(qū)域為彎頭背弧一小部分區(qū)域，最低153 HB。

2 P91主汽管道快速壽命評估

W3為高旁管道，只是局部一小塊硬度偏低，153 HB，按DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》制備現(xiàn)場金相，如圖5所示。組織中存在少許馬氏體板條的痕跡，且管道壁厚超過公稱壁厚，經(jīng)計算可安全運行。

圖5 W3低硬度P91現(xiàn)場金相組織形貌

W1，W2為高壓主汽門前管道，φ335.05 mm×31 mm且有較大區(qū)域硬度在140～150 HB之間，采用快速評估技術(shù)[9]計算剩余壽命情況(安全系數(shù)1.5)見表1。由此可知，W1，W2剩余壽命不足以保證其安全穩(wěn)定運行，需要進行更換處理。

表1 W1，W2彎頭剩余壽命計算

3 P91主汽管道更換處理

先將主汽門前管道固定，采用坡口切割機沿劃線位置進行切割，W1切割后兩道新焊口編號為H1，H2(沿汽流方向)，W2和短節(jié)一起切割后兩道新焊口編號為H3，H4。切割過程中順帶將焊接坡口加工完成。然后將采購的新管進行裝配、焊接、熱處理、質(zhì)量檢驗，更換完畢。

3.1 管道切割

先用槽鋼或拉鏈將切割管道兩頭固定住，確保低硬度管道切割后，留下管道不會產(chǎn)生位移，同時在切割過程中按DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》要求將管道坡口加工成U形，坡口單邊角度10～15 ℃，鈍邊2 mm。管道固定及切割照片如圖6所示。

圖6 管道固定及切割

3.2 裝配

在裝配前應(yīng)將焊件坡口表面及坡口每側(cè)20 mm范圍內(nèi)(內(nèi)、外壁或正、反面)的油、漆、垢、銹等清理干凈，直至發(fā)出金屬光澤。將新管道吊裝到合適位置，確保新管道與原有管道對中，坡口間隙2～4 mm，焊口局部錯口值不超過壁厚的0.1倍，即3.1 mm，進行裝配點固焊。點固焊用的焊接材料、焊接工藝和選定的焊工技術(shù)條件應(yīng)與正式焊接時相同。

3.3 焊前準(zhǔn)備

參加焊接的焊工須是BⅢ類鋼材考核合格的Ⅰ類焊工。氬弧焊絲使用前應(yīng)除去表面油、垢等臟物，焊條焊前需進行350 ℃×1 h 烘干處理，烘干后的焊條應(yīng)放在80～120 ℃的保溫筒內(nèi)隨用隨取。

3.4 焊接

采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充的焊接方法，焊接工藝參數(shù)見表2。氬弧焊打底及焊條填充第一層焊道時，應(yīng)在管子內(nèi)壁充氬保護，氬氣保護范圍以坡口中心為準(zhǔn)，每側(cè)各200～300 mm處，以可溶紙或其它可溶材料，用耐高溫膠帶粘牢，做成密封氣室。采用“氣針”從坡口間隙或“探傷孔”中插入進行充氬，開始時氬氣流量可為10～20 L/min，施焊過程中氬氣流量應(yīng)保持在8～10 L/min。

表2 焊接工藝參數(shù)

施焊前采用電加熱片對管道進行包裹加熱，升溫至200 ℃，確保焊接區(qū)兩側(cè)各不少于200 mm范圍內(nèi)溫度在200 ℃以上。氬弧焊打底時層間溫度控制在150～200 ℃，且根部焊層厚度不小于3 mm。焊接過程中，施焊至“定位塊”處時，應(yīng)將“定位塊”除掉，并將焊點用砂輪機磨掉，不得留有焊疤等痕跡，并以肉眼或低倍放大鏡檢查，確認(rèn)無裂紋等缺陷后，方可繼續(xù)施焊。氬弧焊焊接2～3層后可采用焊條進行填充。

焊條電弧焊填充與蓋面時，宜采用較小電流，多層多道焊，層溫溫度控制在200～250 ℃，每根完整的焊條所焊接的焊道長度與該焊條的熔化長度之比應(yīng)大于50%，每層焊道厚度不超過焊條直徑。焊條擺動的幅度，最寬不得超過焊條直徑的3倍，接頭部位要錯開。每層每道焊縫焊接完畢后，應(yīng)用砂輪機或鋼絲刷將焊渣、飛濺等雜物清理干凈(尤應(yīng)注意中間接頭和坡口邊緣)，經(jīng)自檢合格后，方可焊接下一層。焊縫應(yīng)均勻、整齊、圓滑過渡，或采用角磨機打磨使焊縫圓滑過渡。焊接過程如圖7所示。焊接工作結(jié)束后，將焊接接頭冷卻到80～100 ℃保溫1～2 h。焊工應(yīng)進行自檢，清理打磨焊縫表面，確認(rèn)表面無裂紋之后，立即進行焊后熱處理。

圖7 焊接過程

3.5 焊后熱處理

熱處理工必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，取得資格證書，持證(有效期內(nèi))上崗。熱處理工穿戴好勞動防護用品，防止?fàn)C傷。至少2人參與作業(yè)。采用陶瓷加熱片進行焊后熱處理，加熱寬度從焊縫中心起，每側(cè)不小于管子壁厚的7倍，即217 mm，控溫?zé)犭娕疾贾迷诠茏雍缚p的12:00和6:00方向上，同時在距離焊縫邊緣50 mm處母材上布置兩根監(jiān)測熱電偶，加熱片及熱電偶布置如圖8所示。

圖8 熱電偶和加熱片布置

焊后熱處理曲線如圖9所示。以不大于150 ℃/h的升溫速率升到740～760 ℃，保溫3 h，然后以不大于150 ℃/h的冷卻速率冷卻到300 ℃，300 ℃以下空冷。

圖9 焊后熱處理曲線

3.6 質(zhì)量檢驗

外觀檢驗：焊縫外觀成形良好，未見裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。

無損檢測：對焊縫和近縫區(qū)母材進行MT，UT檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

理化檢測：使用便攜式里氏硬度計對焊縫和近縫區(qū)母材進行測量，測量結(jié)果見表3。

表3 更換后管道焊接接頭硬度檢測 HB

4 分析與討論

4.1 P91鋼硬度檢測準(zhǔn)確性分析

硬度是材料抵抗彈性變形、塑性變形、劃痕或破裂等一種或多種作用的能力，既受試驗方法(里氏、布氏等)、試樣條件(如質(zhì)量、厚度、表面粗糙度、表面硬化層等)因素的限定，又受材料物理性能、力學(xué)性能的影響。硬度因其與強度之間存在一定的正比關(guān)系，常被用來衡量設(shè)備性能的優(yōu)劣。在檢修現(xiàn)場通常采用便攜式里氏硬度計進行硬度檢測，然后利用儀器自帶的換算功能將其轉(zhuǎn)換布氏硬度值。由文中表1低硬度P91彎頭快速壽命計算可知，硬度數(shù)值偏差10～20 HB時，剩余壽命偏差較大，最大相差近1.8×104h，因此對現(xiàn)場硬度檢測要求一定的準(zhǔn)確性。

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，低硬度P91鋼管件的HBHLD值普遍低于臺式布氏硬度測量值。為此，國內(nèi)蔡文河等專家[17-18]對此進行了深入研究，得出低硬度9Cr鋼管件依據(jù)GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分：硬度值換算表》將里氏硬度換算成布氏硬度存在偏差的主要原因在于，9Cr鋼馬氏體板條消失和碳化物析出長大導(dǎo)致位錯強化和固溶強化效果減弱，影響了其屈服強度和屈強比，并依據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)，制定了適合高合金鋼里氏硬度換算成布氏硬度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1845—2018《電力設(shè)備高合金鋼里氏硬度試驗方法》，極大的滿足了現(xiàn)場檢測需求。然而依據(jù)筆者大量現(xiàn)場經(jīng)驗以及取樣與實驗室臺式硬度計比較，當(dāng)P91硬度值低于160 HB時，建議在現(xiàn)場采用便攜式鏈?zhǔn)讲际嫌捕扔嬤M行校核，準(zhǔn)確性較高，而采用便攜磁力式硬度計校核時存在較大偏差，這可能與磁力式硬度計在現(xiàn)場操作時受到管件形狀限制，吸附力不足，在操作過程中出現(xiàn)較大誤差有關(guān)。

4.2 P91鋼換管技術(shù)要求

DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定，鋼管180～250 HB；DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》規(guī)定，鋼管185～250 HB；ASME SA-35-2015《Specification for seamless ferritic alloy-steel pipe for high-temperature service》規(guī)定，鋼管≤250 HB；ASME SA-335-2017《Specification for seamless ferritic alloy-steel pipe for high-temperature service》規(guī)定，鋼管190～250 HB。從ASME規(guī)范的變化可以看出，對于P91鋼管從2013年以前不設(shè)定硬度下限，到2017年設(shè)定硬度下限為190 HB，而中國的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從2009年就對P91鋼進行了下限規(guī)定，可見中國的電力標(biāo)準(zhǔn)超前于ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。依據(jù)筆者現(xiàn)場經(jīng)驗，為后續(xù)焊后熱處理留出一定的硬度下降量，建議采購P91新管的硬度控制在200～230 HB。

換管前，應(yīng)對切口處管子進行硬度檢測，確保切口處管子的硬度不能太低，在可接受的范圍。否則更換新管后，經(jīng)過焊接熱處理，切口處管子硬度會下降，導(dǎo)致更低，更換管道失去了意義，造成浪費，且限制于工期等原因，安裝上了有風(fēng)險的管道。

焊接完成后，應(yīng)進行無損和硬度檢測，硬度包括兩側(cè)母材和焊縫。硬度不合格時應(yīng)進行金相檢驗。之前很少有施工單位進行母材硬度檢測，只進行焊縫硬度檢測，這是非常危險的，焊縫周圍母材的質(zhì)量狀況也很重要，且是監(jiān)督的重點。

4.3 低硬度P91鋼換管硬度下降量精準(zhǔn)控制技術(shù)

W2管道切割后，剩余母材硬度在190～200 HB，因此后續(xù)焊接及熱處理可操性空間比較大。W1彎管切割時，特別是靠近斜三通側(cè)即圖2左側(cè)存在一限位吊架，切割位置受限，剩余母材硬度只有173 HB，后續(xù)與新管組焊和熱處理后，母材硬度很有可能下降到160 HB以下，依據(jù)表1的壽命計算，硬度為160 HB時，剩余壽命僅1.8×104h，很難滿足電廠(2～3)×104h的壽命需求。精準(zhǔn)控制P91母材硬度下降量成為該次更換管道成敗的關(guān)鍵。

為盡可能控制P91母材硬度下降量，同時讓焊縫的硬度不能太高，根據(jù)現(xiàn)場施工條件，焊后熱處理方法選擇柔性陶瓷電阻加熱器。為實現(xiàn)溫度準(zhǔn)確控制，采取了對控溫儀表進行校準(zhǔn)，將熱處理機上的溫控儀表和熱電偶拿到熱工試驗室，與標(biāo)準(zhǔn)溫控儀表在同樣溫度下進行比對試驗，實現(xiàn)對熱處理上控溫儀表的精確校準(zhǔn)。同時對焊后熱處理工藝進行調(diào)整，采用740 ℃保溫3 h的熱處理工藝，焊接完畢后先冷卻到室溫進行無損探傷，確保無缺陷后再進行焊后熱處理等一系列措施，成功將硬度下降量控制在5 HB左右。

P91鋼焊后回火熱處理的目的在于消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊縫及熱影響區(qū)金屬組織。一般來說，正常狀態(tài)的焊后熱處理不會改變近縫區(qū)母材的組織形態(tài)，只是使馬氏體組織產(chǎn)生進一步的回復(fù)，位錯發(fā)生對消，攀移，位錯密度下降，大量析出物主要沿原奧氏體晶界，馬氏體板條界、板條束界析出，回火馬氏體內(nèi)部的板條結(jié)構(gòu)仍然存在，此時P91鋼的強度會有一定的下降，但不會下降很多。但是焊后熱處理溫度較高，時間較長時，馬氏體組織中的板條將產(chǎn)生合并，逐漸變寬消失，并且板條的取向也不再清晰可見，取而代之的是馬氏體板條塊，同時在板條塊內(nèi)部甚至形成小尺寸的亞晶粒晶核，發(fā)生再結(jié)晶導(dǎo)致鐵素體的產(chǎn)生，此時P91鋼的強度會大幅下降，硬度大幅降低。因此，要嚴(yán)格控制焊后熱處理工藝參數(shù)，對于本身硬度已無富裕量的P91母材經(jīng)焊后熱處理時，要按標(biāo)準(zhǔn)要求的下限進行控制。

5 結(jié)論

(1)對低硬度P91進行安全性評價和快速壽命評估時，要確保現(xiàn)場硬度檢測的準(zhǔn)確性。當(dāng)P91硬度值低于160 HB時，建議采用便攜式鏈?zhǔn)讲际嫌捕扔嬤M行校核。

(2)在更換P91管道時，要確保切口處管子的硬度不能太低，在可接受的范圍內(nèi)，同時采購的新管硬度建議在200～230 HB之間。

(3)對低硬度P91進行焊接和熱處理時，采取對控溫儀表進行校準(zhǔn)，焊后熱處理工藝參數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)下限進行控制等措施，可實現(xiàn)P91焊縫近縫區(qū)母材硬度下降量的精準(zhǔn)控制。