蒸汽管道珠光體球化合于使用評價

王海林

（揚子石化公司熱電廠，江蘇南京 210048）

0 引言

合于使用評價是根據合理的失效準則和有關標準規定，評價服役中的承壓設備是否符合預期的工況和環境，服役過程中產生的缺陷和損傷是否威脅其運行安全，對設備繼續運行或改造、維修報廢、更換等決策提供技術支撐[1]。某電廠低壓蒸汽管道和中壓蒸汽管道分別于2009 年和1988 年投用，管道材料為20#鋼。兩根管道于近期進行了定期檢驗，金相檢測抽查發現管道彎頭存在珠光體球化3 級和3.5 級問題，為分析彎頭材料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，因此對該管道進行合于使用評價。

1 管道基本參數

兩條蒸汽管道基本參數見表1。

表1 蒸汽管道基本參數

2 本次檢驗情況

對兩條蒸汽管道位置、支吊架、絕熱層等進行宏觀檢查，未見異常。管道壁厚測定結果見表2。滲透檢測抽查管道對接焊縫，未發現缺陷跡痕顯示，I 級合格。超聲檢測抽查管道對接焊縫，未記錄超標缺陷，I 級合格。兩條蒸汽管道硬度檢測結果見表3。根據DL/T 438—2009《火力發電廠金屬技術監督規程》，20#硬度值參考值為106～159 HB，低壓蒸汽管道硬度值結果偏低，中壓蒸汽管道硬度值基本正常。

表2 壁厚測定結果 mm

表3 硬度檢測結果 HB

低壓蒸汽管道選擇6 處（檢測部位管道規格均為Φ356 mm×10 mm）進行金相檢測，檢測部位包括3 處彎頭母材和3 處彎頭與直管連接焊縫。3 處彎頭母材金相組織均為鐵素體+珠光體，其中1 處為3 級球化、另外2 處為3.5 級球化，彎頭部位金相組織如圖1 所示。3 處彎頭與直管連接焊縫金相組織均為鐵素體+珠光體，未見異常，焊逢部位金相組織如圖2 所示。

圖1 低壓蒸汽管道彎頭母材金相組織（珠光體3.5 級球化）

圖2 低壓蒸汽管道彎頭與直管連接焊縫金相組織

中壓蒸汽管道選擇8 處進行金相檢測，檢測部位均為彎頭母材。8 處彎頭母材組織均為鐵素體+珠光體，其中7 處為3.5 級球化、另外1 處為3級球化，典型金相組織如圖3 所示。

圖3 中壓蒸汽管道彎頭母材金相組織（珠光體3.5 級球化）

3 主要失效模式分析

珠光體球化是碳鋼和低合金鋼在高溫環境下，珠光體中滲碳體（碳化物）形態由最初的層片狀逐漸轉變成球狀的過程。低壓蒸汽管道使用約12 年，使用溫度為325 ℃，在此溫度下繼續運行（不發生超溫），該管道無進一步球化趨勢。中壓蒸汽管道現已運行了約33 年，使用溫度為425 ℃，從歷次的檢測情況來看，管道在425 ℃使用溫度環境下球化發展較緩慢，不會出現短時間內材料強度明顯降低的情況。兩條蒸汽管道珠光體球化導致的主要失效模式分析如下：

（1）強度失效。材料發生珠光體球化，可導致材料短時拉伸強度降低，使管道發生強度失效。根據該管道硬度檢測結果，參考相關標準計算許用應力，進行強度失效評價。

（2）高溫持久斷裂失效。根據GB/T 35013《承壓設備合于使用評價》，碳鋼考慮蠕變的極限溫度為343 ℃，而低壓蒸汽管道使用溫度為325 ℃，中壓蒸汽管道使用溫度為425 ℃，因此，中壓蒸汽管道還需考慮蠕變/持久斷裂失效模式。珠光體球化同樣會導致材料在高溫環境下的持久強度降低，使管道發生持久斷裂失效。

（3）脆性斷裂失效。兩條管道使用溫度較高，且超聲和滲透檢測均未發現超標缺陷。

綜上所述，低壓蒸汽管道合于使用評價主要考慮強度失效。中壓蒸汽管道評價主要考慮強度失效和持久斷裂失效。

4 強度校核

4.1 強度估算

根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》提供的數據，對于碳鋼，當硬度為102 HB 時（GB/T 1172—1999 給出的碳鋼最小硬度數據），對應抗拉強度為375 MPa[2]。由此，近似給出硬度估算抗拉強度的關系式為的σu=3.67 HB。

本次檢測，低壓蒸汽管道實測硬度值最低為83 HB，中壓蒸汽管道實測硬度值最低為120 HB。評定時，取上述兩條管道所測硬度最低值即83 HB 進行計算。得到對應硬度下材料抗拉強度σu=3.67×83=304.6 MPa。

4.2 許用應力計算

參照GB/T 35013 標準，由材料抗拉強度（硬度換算得到）計算許用應力的公式（1）：

式中[σ]afd是考慮硬度下降后的材料許用應力，MPa；σht是由硬度得出的抗拉強度，此處取304.6 MPa；nh是安全系數，參照標準，此處取1.2；nism是安全系數，參照標準，此處取3.0；σt是服役溫度下正常材料的許用應力，MPa；σa是室溫下正常材料的許用應力，MPa。

計算得到兩條蒸汽管道材料許用應力（表4）。

表4 許用應力計算結果

4.3 壁厚計算與校核

依據GB/T 20801—2020 等相關標準，直管和彎管度校核壁厚計算公式：

直管：

彎管：

式中：p 是評定壓力取工作壓力；D 是管道外徑；Y 是計算系數，按標準取為0.4；R 是彎管半徑，1.5D；Φ 是縱向焊接接頭系數，管道為無縫管，取為1.0；S 是由4.2 節計算得到的材料許用應力；C 是腐蝕裕量，取為0.5 mm；I是計算系數。

計算得到兩條蒸汽管道在校核工況下，所需壁厚見表5，表中也列出了管道實測最小壁厚?？梢妼崪y最小壁厚不小于計算所需壁厚，強度校核合格。即兩條蒸汽管道在目前已檢出的硬度情況和球化程度范圍內，可以通過強度校核。

表5 管道計算壁厚與實測最小壁厚

5 持久斷裂評估

中壓蒸汽管道運行溫度為425 ℃，投用時間1988 年。根據中壓蒸汽管道主要失效模式分析，對其進行持久斷裂評估。

（1）根據TSG D7005—2018《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》，材料劣化和損傷，發現存在球化、石墨化等材料劣化、蠕變等損傷現象或者硬度值異常；如果劣化或者損傷程度輕微，能夠確認在操作條件下和檢驗周期安全使用的，可以定大3級：如果己經產生不可修復的缺陷或者損傷時，根據損傷程度，定為3 級或者4 級。

（2）參考DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》，對于高溫蠕變、球化、石墨化材料劣化損傷，彎頭/彎管發現下列情況時，應及時處理或更換：①產生蠕變裂紋或嚴重的蠕變損傷（蠕變損傷4 級級以上）時；②碳鋼彎頭石墨化達4 級時。

（3）參考API 579/ASME《Fitness-For-Service》、API STD 530《Calculation of Heater-tube Thickness in Petroleum Refineries》等標準，管道持久壽命計算公式：

式中：L 是壽命；LMP（σ）是與應力相關的Larson-Miller 參數；T 是運行溫度；CLMP是常數。參考DL/T 654，計算得到應力并取1.5 倍安全系數，則σ 為43.3 MPa；T 為425 ℃；CLMP根據標準取為20。由此，計算得到不考慮材料劣化情況下管道持久壽命遠大于已運行的時間33 年。

（4）從中壓蒸汽管道歷次檢測結果來看，即使是使用導致的球化現象，發展也較緩慢，不會出現短時間內材料強度明顯降低的情況。

（5）低壓蒸汽管道（Φ356 mm×10 mm 規格段）和中壓蒸汽管道彎頭金相檢測所檢部位中，珠光體球化最嚴重為3.5 級，未發現石墨化和蠕變裂紋。結合上述評估內容認為本次檢驗檢出的材料珠光體球化程度范圍暫不會導致管道在使用溫度下發生持久斷裂失效。

6 結束語

本文通過對兩條蒸汽管道進行合于使用評價，得到彎頭金相檢測所檢部位中珠光體球化最嚴重為3.5 級，未發現石墨化和蠕變裂紋的現象，在近期檢驗檢出的珠光體球化程度范圍內，暫不影響其在允許運行參數下安全使用。該管道實測最小壁厚均不小于計算所需壁厚，強度校核合格。同時兩條蒸汽管道運行時應嚴控運行參數，嚴禁超溫超壓運行，在投運管道過程中應當充分暖管，按照操作規程控制管道內蒸汽升溫升壓的速度。