基于矯頑力的T91鋼老化評價方法

封小亮, 馬 括, 劉課秀

(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510000)

T91耐熱鋼具有持久強度高、抗蠕變能力強、疲勞強度好，以及價格適中等特點，在亞臨界、超臨界、超超臨界發電機組的高溫承壓部件上得到廣泛應用[1-3]，然而隨著鍋爐的超溫運行、管子堵塞等問題的發生[4-5]，鍋爐管爆裂事故率仍然很高，帶來巨大的經濟損失。T91是一種高鉻馬氏體耐熱鋼，其在長期服役過程中，經高溫、高壓等作用，會發生不同程度的顯微組織老化及性能劣化降級，給機組的運行帶來隱患。現階段并沒有較好的方法來評估管道老化狀態及預測剩余壽命，都是通過割管檢驗的方法來實現的，而割管檢驗周期長，嚴重影響電廠的發電效率。筆者以失效的T91鋼管為研究對象，采用矯頑力對鋼管進行分析，并結合硬度試驗和金相檢驗結果，研究材料老化與矯頑力之間的變化關系，通過測量矯頑力就可無損、快捷地預測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 試驗方法與結果

1.1 試驗對象

失效的過熱器管(見圖1)材料為T91鋼，其鉻元素的質量分數為8%～9.5%，鉬元素的質量分數為0.85%～1.05%，管子規格為51 mm×7 mm(外徑×壁厚)，過熱器出口壓力為18.20 MPa，工作溫度為540 ℃，因鋼管組織出現過熱而在向火面發生早期爆管[6]，該鋼管已經累計運行約36 453 h，爆管使電廠出現非計劃性停機，給電廠帶來經濟損失。

圖1 失效的過熱器管外觀

1.2 試驗方法

采用矯頑力對鋼管進行表征，矯頑力屬于材料磁滯特征參數。鐵磁性材料磁感應強度B的變化總是滯后于磁場強度H的變化，這種現象稱為磁滯，其表征了鐵磁性物質反復磁化過程中B與H之間的關系。當H減小為0時，B并不為0，而等于剩余磁感應強度Br。要使B減為0，必須加一反向磁化場，而當反向磁化場加強到-Hc時，H才為零，此時Hc稱為矯頑力。

基于材料磁滯行為的矯頑力對材料顯微組織演變、材料損傷與應力等具有高度敏感性和較強的抗干擾能力，主要應用于鐵磁性分析試樣中，尤其對存在嚴重老化或應力敏感區材料的篩查。測量矯頑力的方法快速、方便，現場環境適應能力強，通過更換CMP-10/30兩種不同規格的探頭，可滿足最大壁厚或厚度為30 mm的鋼管或鋼板等的測試要求。筆者采用MC-WF-04型磁滯無損檢測設備對失效的T91鋼管進行磁性矯頑力測量，結合顯微組織分析和維氏硬度試驗，研究鋼管老化過程中材料矯頑力的變化規律。

1.3 金相檢驗

分別對失效T91鋼管的爆口位置、距爆口100 mm位置(上端側)、端部位置(上端側)及定期檢驗的T91割管試樣的橫截面進行環向取樣，打磨拋光后采用Axiovert 200MAT型光學顯微鏡進行顯微組織分析。

材料老化評級參考標準DL/T 884—2019 《火電廠金相檢驗與評定技術導則》，試樣的金相檢驗結果表明：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別達5.0級；管樣上端背火面老化級別僅為3.0級；在各個試樣的其他位置觀察到老化級別為4.5，4.0，3.5級；觀察定期檢驗割管試樣，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，材料老化級別為2.5級。T91鋼管在不同老化級別下的顯微組織形貌如圖2所示。

圖2 T91鋼管在不同老化級別下的顯微組織形貌

1.4 維氏硬度試驗

依據GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》，采用Durascan-70型維氏硬度計對顯微組織老化級別為2.5～5.0級的鋼管位置進行硬度試驗，結果如表1所示。隨著鋼管老化級別逐漸增加，材料維氏硬度檢測結果逐漸遞減；當老化級別接近4.0級時，維氏硬度接近DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》附錄C中的下限值；當老化級別達4.5級時，維氏硬度明顯低于標準的下限值，力學性能呈現出明顯劣化。

1.5 矯頑力測量

采用MC-WF-04型磁滯無損檢測設備對顯微組織老化級別為2.5～5.0級的鋼管位置進行矯頑力測量，測量結果如表1所示。對于老化級別為2.5～5.0級的鋼管位置，隨著鋼管老化級別逐漸增加，材料的矯頑力逐漸遞增。

表1 鋼管不同老化級別部位的矯頑力、維氏硬度的檢測結果

2 分析與討論

隨著鋼管試樣組織老化程度的加劇，硬度呈現為單調遞減的趨勢(見圖3)。由于鋼管材料長期在高溫條件下運行，碳化物沉淀相會逐漸析出、聚集和粗化，固溶體中合金元素的脫溶和貧化現象越嚴重，基體固溶度越弱，材料硬度越低[7-8]；當鋼管老化程度接近4.0級時，硬度已不滿足DL/T 438—2016附錄C中的要求。

圖3 鋼管老化級別與矯頑力、維氏硬度之間的變化關系

隨著鋼管試樣老化級別的增加，矯頑力逐漸遞增(見圖3)。當磁疇壁移動受到阻力或疇壁內磁矩改變受到阻力時，矯頑力都將受到影響[9]，隨著T91鋼的不斷老化，在老化過程中：① 晶粒內溶質元素逐漸析出，并向晶界聚集，其晶格格點被雜質、空穴、異類原子(置換式或間歇式)所占領或同類原子的排布不同都可被看成點缺陷，由于點缺陷的數量多，且分布相對均勻，其對疇壁的相互作用力將被抵消，對于疇壁移動的釘扎作用不明顯；② 碳化物粗化并與鐵、鉻、鉬、釩等元素形成碳化物，在高溫環境下，晶界、亞晶界以及板條界上形成細小Laves相，晶界碳化物空間為一種面缺陷，會形成較大作用范圍的釘扎中心，Laves相對晶界的釘扎都將約束疇壁的自由移動，最終使得材料矯頑力測量值逐漸增加[9-11]。結合維氏硬度與矯頑力的擬合曲線可知，當鋼管試樣硬度下降至標準下限值185 HV時，其對應的矯頑力為9.6 A/cm。

DL/T 438—2016規定，在電廠過熱器和再熱器管檢驗監督的過程中，當材料為T91的鋼管組織老化級別為5級時，應割管進行材料評定和壽命評估工作。鋼管老化級別與矯頑力的關系如圖4所示，老化級別A與矯頑力測量值Hc之間的函數關系如式(1)所示。

圖4 鋼管老化級別與矯頑力的關系

A=0.67Hc-2.53(1)

由于鋼管老化級別與服役時間的關系未知，且高鉻馬氏體耐熱鋼的高溫加速老化試驗復雜(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間表達其老化級別變化情況。結合鋼管定期檢驗周期間隔時長ΔT、矯頑力變化量ΔHc及鋼管的累積運行時間T，并根據矯頑力與老化級數關系系數0.67，可推導出鋼管距離嚴重老化(5級)的動態剩余時間TR的函數關系，如式(2)所示。

3 結語

材料在老化過程中，硬度與矯頑力表現為單調遞減或遞增的變化關系。通過定期檢驗鋼管矯頑力的變化情況，工作人員可動態評估鋼管在當前服役工況下的持久壽命衰減情況，了解材料嚴重老化的剩余時間，防止因材料老化失效導致的事故發生，該檢測方法方便快捷，具有較大的研究價值與應用空間。