低硬度P91鋼彎頭的組織與性能分析

摘要：火力發(fā)電通過提高發(fā)電機組的蒸汽參數可以獲得更高的發(fā)電效率，但更高的蒸汽參數給火電廠的安全運營帶來新挑戰(zhàn)。蒸汽管道彎頭是火電機組系統(tǒng)中的事故多發(fā)區(qū)，其組織性能的研究對于指導管件生產與電廠設備運營管理具有重要意義。某電廠某1 000 MW超超臨界機組在進行金屬監(jiān)督檢驗時，發(fā)現材質為P91鋼的管道彎頭背弧面局部硬度偏低。通過硬度試驗、拉伸試驗、金相檢測、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等分析，對其硬度偏低部位的顯微組織與力學性能進行研究。經分析，P91彎頭局部區(qū)域硬度偏低的主要原因是組織老化、析出相長大導致其各項強化作用減弱。

關鍵詞：P91鋼；彎頭；硬度；組織性能

中圖分類號：TG 142.73文獻標志碼：A

Analysis of microstructure and properties of low hardness P91 steel pipe elbow

LI Jiayao，WANG Song，NI Yifeng，DUAN Peng

（Shanghai Minghua Electric Power Scienceamp;TechnologyCo.，Ltd.，Shanghai 200090，China）

Abstract：Thermal power generation can achieve higher power generation efficiency by improving the steam parameters of the generator units，but the higher steam parameter also brings new challenges to the safe operation of thermal power plants.Cracking accident occurs frequently at the elbow of steam pipe in thermal power units.The study on microstructure and properties of the elbow is great significance for guiding the pipe production and the operation of the power plant equipment.It was found that the local hardness value of a P91 pipe elbow was low during the inspection of a 1 000 MW ultra-supercritical boiler.The microstructure and mechanical properties of the part with low hardness values was studied by hardness tests，tensiletests，metallographictests，scanning electron microscope tests and transmission electron microscope tests，respectively.The results show that the low hardness of P91 elbow is caused by the degradation of microstructure and coarsening of precipitated phases，which weakens its various strengthening effects.

Keywords：P91 steel;elbow;hardness;microstructure and properties

P91鋼是在9Cr-1Mo鋼基礎上添加V、Nb、N等元素開發(fā)出來的馬氏體耐熱鋼[1]，在GB/T5310—2019《高壓鍋爐用無縫鋼管》中牌號為10Cr9Mo1VNbN，具有良好高溫性能，被廣泛應用于電站鍋爐設備中。按照美國機械工程師學會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）標準SA—335/SA—335M和我國電力行業(yè)標準DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》中要求，P91鋼管件的布氏硬度應控制在180～250之間。近年來，P91鋼組件在服役過程中發(fā)現很多硬度明顯偏低的現象，研究其組織性能對保障機組的安全運行有重要意義。Masuyama等[2]和Kim等[3]報道了P91鋼試樣的硬度和其持久性能的降低有關。Sawada等[4]和Endo等[5]的研究顯示P91鋼硬度與試樣馬氏體板條和位錯密度有關。大量研究表明[6-8]，時效、持久運行過程中P91鋼硬度降低時伴隨著析出相的聚集與粗化。此外，P91鋼塑性成形、熱處理也會導致硬度偏低[9-12]。

本文對某電廠某1 000 MW超超臨界機組P91鋼彎頭服役過程中的硬度偏低部位進行取樣，研究其微觀組織和力學性能，并分析其硬度偏低的原因。

1試驗材料及方法

某電廠某1 000 MW超超臨界機組在進行金屬監(jiān)督檢驗時，發(fā)現一級再熱器出口至二級再熱器進口連接管彎頭硬度偏低，擴大檢查后發(fā)現背弧面存在硬度偏低的區(qū)域。本研究對該彎頭進行割管處理并進行進一步的組織與性能分析。

如圖1（a）所示，彎頭標稱材質為SA335-P91，規(guī)格為φ610.0 mm×25.4 mm，虛線范圍（約470.0 mm×280.0 mm）內為現場檢測硬度偏低部位。如圖1（a）所示在割管彎頭上沿截面A1～A4截取兩個厚度20 mm的環(huán)狀試樣A1-A2和A3-A4，分別記為環(huán)1和環(huán)2，環(huán)狀試樣如圖1（b）所示。再將兩個環(huán)狀試樣分別平均截為9小段，小段試樣如圖1（c）所示。按從上往下的順序依次編號，記為1-1～1-9，2-1～2-9（編號1-1表示環(huán)1上數第1段，以此類推）。按照GB/T 231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》使用Wilson UH250型布洛維臺式硬度計對試樣進行布氏硬度測定；按照GB/T 13 298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》使用光學顯微鏡對試樣進行金相顯微組織觀察；通過FEI Quanta 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對試樣的進行微觀組織結構觀察及能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）進行成分分析；透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）對析出相進行觀察。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行常溫拉伸試驗。

2試驗結果

2.1力學性能測試

2.1.1硬度檢測

按圖1所示取樣，針對現場檢測硬度偏低區(qū)域及周邊位置進行布氏硬度測試，檢測試樣編號為1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、2-6，硬度測試標尺為HBW2.5 mm/187.5 kgf/10s，測試位置為A2截面與A4截面，結果如表1所示。

根據DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》（附錄C電站常用金屬材料硬度值），P91管件（彎頭）的布氏硬度控制范圍為180～250。布氏硬度測試檢測結果顯示各個試樣近外壁—中徑—近內壁位置硬度接近，其中：試樣1-4、1-5硬度滿足DL/T 438—2016的要求；試樣2-4、2-5硬度低于該標準要求的下限值；試樣2-3、2-6則處于硬度變化過渡區(qū)域，試樣2-3上、中部和試樣2-6中、下部硬度滿足標準要求而試樣2-3下部和試樣2-6上部硬度低于標準要求下限。

2.1.2拉伸試驗

在彎頭硬度偏低位置，即圖1（a）中A4截面左側區(qū)域的外壁、中間、內壁，截取直徑為5 mm的棒狀標準拉伸試樣共8根進行常溫拉伸試驗，拉伸試樣示意圖如圖2所示。拉伸試驗結果如表2所示。根據GB/T5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對P91拉伸性能的要求，其抗拉強度≥585 MPa，屈服強度≥415 MPa，縱向伸長率≥20%。常溫拉伸試驗結果表明，該彎頭硬度偏低位置的屈服強度與抗拉強度均明顯低于標準要求。

2.2顯微組織檢測

2.2.1金相檢驗

根據布氏硬度檢測結果，選取試樣2-3的A4截面進行金相組織檢驗，使用氯化鐵鹽酸水溶液作為浸蝕劑，結果如圖3所示。由金相檢測結果可以看出，試樣2-3上部和中部硬度正常位置的金相組織為回火馬氏體，馬氏體板條清晰可見，板條位相輕微分散，板條界及板條束內有細小彌散的碳化物顆粒（第二相）析出，未發(fā)生明顯老化；根據DL/T 2219—2021《火力發(fā)電廠用10Cr9Mo1VNbN鋼顯微組織老化評級》評級為1.5級老化。試樣2-3下部硬度偏低位置的金相組織中馬氏體僅殘留少量，馬氏體板條位相嚴重分散，第二相尺寸明顯粗化，為典型的馬氏體老化組織；根據DL/T 2219—2021評級為4級老化。

2.2.2 SEM檢測

在SEM下對試樣2-3的組織進行觀察，其形貌如圖4所示。從圖4可以看出，試樣在晶界和晶內均有大量的顆粒狀和塊狀的析出相，部分析出相在晶界處聚集形成短鏈狀。用EDS進行成分分析，顯示析出相中的Cr含量遠高于基底，結果如圖5所示。根據文獻[13-14]推測析出相為富Cr的M23C6。對比上部、中部與下部的圖可知，硬度偏低位置（下部）處的析出相出現明顯的長大粗化，與金相檢測結果一致。

2.2.3 TEM檢測

在TEM下對試樣2-3中的析出相進行觀察，如圖6所示。根據選區(qū)電子衍射圖案可以標定出析出相主要為面心立方（face centered cubic，FCC）結構的M23C6。

3分析與討論

P91鋼在較高溫度和較長時間作用下具有較高的組織穩(wěn)定性，這是由于大量固溶于基體中的合金元素產生的固溶強化、高密度的位錯板條馬氏體產生的位錯強化以及細小彌散的析出相產生的第二相強化共同作用的結果[15]。通過以上試驗結果可知：P91彎頭服役后，硬度正常位置材料未發(fā)生明顯老化，各項力學性能指標仍滿足標準要求；而硬度偏低位置組織老化現象明顯，其強度（屈服強度與抗拉強度）已低于標準要求下限。

本文中P91彎頭背弧面局部區(qū)域硬度偏低，顯微組織檢測結果顯示：硬度偏低位置馬氏體僅殘留少量，馬氏體板條位相嚴重分散，使得位錯強化作用減弱；同時，硬度偏低位置析出相長大粗化，導致第二相強化作用減弱；合金元素從基體析出也讓固溶強化作用減弱。這是最終導致其硬度、屈服強度和抗拉強度等力學性能下降的主要原因。

實際檢測中硬度偏低位置也多為彎頭的背弧面[16-19]，硬度沿壁厚方向基本保持一致，低硬度區(qū)域的異常與服役過程無關，應為彎頭制造過程工藝不當造成的。實際生產中，彎頭外壁的溫度很難保持恒定，各部位變形量也不一樣（其中背弧面部分拉伸塑性變形量最大），使得整個彎頭尤其是背弧面位置呈現硬度及組織不均勻的狀態(tài)，最終導致在長期服役后彎頭背弧面局部區(qū)域出現組織老化、硬度偏低的現象。

4結論

（1）P91彎頭現場硬度偏低區(qū)域組織明顯老化，取樣部位硬度、強度等各項力學性能指標均不能達到標準要求，綜合力學性能較差，將嚴重影響機組的安全運行。

（2）根據各項檢測結果可知P91鋼管道的硬度能很好地反映材料綜合力學性能，現場進行的金相、硬度檢驗對電廠金屬監(jiān)督工作有重要作用。

（3）P91鋼彎頭背弧面局部區(qū)域硬度偏低的主要原因是組織老化、析出相長大導致的各項強化作用（位錯強化、第二項強化以及固溶強化）減弱。其根本原因可能與彎頭的生產過程有關，因此其出廠檢驗必須嚴格把關。

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文章編號：2096?2983（2024）02?0081?07 DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20231018001

引文格式：李家瑤，王松，倪燚鋒，等．低硬度P91鋼彎頭的組織與性能分析[J]．有色金屬材料與工程，2024，45（2）：81-87．DOI：10.13258/j.cnki.nmme.20231018001．LI Jiayao，WANGSong，NIYifeng，et al．Analysis of microstructure and properties of low hardness P91 steel pipe elbow[J]．Nonferrous Metal Materials and Engineering，2024，45（2）：81-87.