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(jī)組的蒸汽參數(shù)可以獲得更高的發(fā)電效率，但更高的蒸汽參數(shù)給火電廠的安全運(yùn)營帶來新挑戰(zhàn)。蒸汽管道彎頭是火電機(jī)組系統(tǒng)中的事故多發(fā)區(qū)，其組織性能的研究對(duì)于指導(dǎo)管件生產(chǎn)與電廠設(shè)備運(yùn)營管理具有重要意義。某電廠某1 000 MW超超臨界機(jī)組在進(jìn)行金屬監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為P91鋼的管道彎頭背弧面局部硬度偏低。通過硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、金相檢測(cè)、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等分析，對(duì)其硬度偏低部位的顯微組織與力學(xué)性能進(jìn)行研究。經(jīng)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(dǎo)致其各項(xiàng)強(qiáng)化作用減弱。

關(guān)鍵詞：P91鋼；彎頭；硬度；組織性能

中圖分類號(hào)：TG 142.73文獻(xiàn)標(biāo)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(chǔ)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(hào)為10Cr9Mo1VNbN，具有良好高溫性能，被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐設(shè)備中。按照美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers，ASME）標(biāo)準(zhǔn)SA—335/SA—335M和我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中要求，P91鋼管件的布氏硬度應(yīng)控制在180～250之間。近年來，P91鋼組件在服役過程中發(fā)現(xiàn)很多硬度明顯偏低的現(xiàn)象，研究其組織性能對(duì)保障機(jī)組的安全運(yùn)行有重要意義。Masuyama等[2]和Kim等[3]報(bào)道了P91鋼試樣的硬度和其持久性能的降低有關(guān)。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(cuò)密度有關(guān)。大量研究表明[6-8]，時(shí)效、持久運(yùn)行過程中P91鋼硬度降低時(shí)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(huì)導(dǎo)致硬度偏低[9-12]。

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

1試驗(yàn)材料及方法

某電廠某1 000 MW超超臨界機(jī)組在進(jìn)行金屬監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一級(jí)再熱器出口至二級(jí)再熱器進(jìn)口連接管彎頭硬度偏低，擴(kuò)大檢查后發(fā)現(xiàn)背弧面存在硬度偏低的區(qū)域。本研究對(duì)該彎頭進(jìn)行割管處理并進(jìn)行進(jìn)一步的組織與性能分析。

如圖1（a）所示，彎頭標(biāo)稱材質(zhì)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(nèi)為現(xiàn)場檢測(cè)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(gè)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(gè)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(hào)，記為1-1～1-9，2-1～2-9（編號(hào)1-1表示環(huán)1上數(shù)第1段，以此類推）。按照GB/T 231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》使用Wilson UH250型布洛維臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)定；按照GB/T 13 298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》使用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)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(duì)試樣的進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)觀察及能譜儀（energy dispersive spectrometer，EDS）進(jìn)行成分分析；透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）對(duì)析出相進(jìn)行觀察。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1力學(xué)性能測(cè)試

2.1.1硬度檢測(cè)

按圖1所示取樣，針對(duì)現(xiàn)場檢測(cè)硬度偏低區(qū)域及周邊位置進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，檢測(cè)試樣編號(hào)為1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、2-6，硬度測(cè)試標(biāo)尺為HBW2.5 mm/187.5 kgf/10s，測(cè)試位置為A2截面與A4截面，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)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(cè)試檢測(cè)結(jié)果顯示各個(gè)試樣近外壁—中徑—近內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求而試樣2-3下部和試樣2-6上部硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限。

2.1.2拉伸試驗(yàn)

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

2.2顯微組織檢測(cè)

2.2.1金相檢驗(yàn)

根據(jù)布氏硬度檢測(cè)結(jié)果，選取試樣2-3的A4截面進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，使用氯化鐵鹽酸水溶液作為浸蝕劑，結(jié)果如圖3所示。由金相檢測(cè)結(jié)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(nèi)有細(xì)小彌散的碳化物顆粒（第二相）析出，未發(fā)生明顯老化；根據(jù)DL/T 2219—2021《火力發(fā)電廠用10Cr9Mo1VNbN鋼顯微組織老化評(píng)級(jí)》評(píng)級(jí)為1.5級(jí)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(yán)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(jù)DL/T 2219—2021評(píng)級(jí)為4級(jí)老化。

2.2.2 SEM檢測(cè)

在SEM下對(duì)試樣2-3的組織進(jìn)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(nèi)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(jìn)行成分分析，顯示析出相中的Cr含量遠(yuǎn)高于基底，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]推測(cè)析出相為富Cr的M23C6。對(duì)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(xiàn)明顯的長大粗化，與金相檢測(cè)結(jié)果一致。

2.2.3 TEM檢測(cè)

在TEM下對(duì)試樣2-3中的析出相進(jìn)行觀察，如圖6所示。根據(jù)選區(qū)電子衍射圖案可以標(biāo)定出析出相主要為面心立方（face centered cubic，F(xiàn)CC）結(jié)構(gòu)的M23C6。

3分析與討論

P91鋼在較高溫度和較長時(shí)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(chǎn)生的固溶強(qiáng)化、高密度的位錯(cuò)板條馬氏體產(chǎn)生的位錯(cuò)強(qiáng)化以及細(xì)小彌散的析出相產(chǎn)生的第二相強(qiáng)化共同作用的結(jié)果[15]。通過以上試驗(yàn)結(jié)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(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而硬度偏低位置組織老化現(xiàn)象明顯，其強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度）已低于標(biāo)準(zhǔn)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(cè)結(jié)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(yán)重分散，使得位錯(cuò)強(qiáng)化作用減弱；同時(shí)，硬度偏低位置析出相長大粗化，導(dǎo)致第二相強(qiáng)化作用減弱；合金元素從基體析出也讓固溶強(qiáng)化作用減弱。這是最終導(dǎo)致其硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能下降的主要原因。

實(shí)際檢測(cè)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(guān)，應(yīng)為彎頭制造過程工藝不當(dāng)造成的。實(shí)際生產(chǎn)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(gè)彎頭尤其是背弧面位置呈現(xiàn)硬度及組織不均勻的狀態(tài)，最終導(dǎo)致在長期服役后彎頭背弧面局部區(qū)域出現(xiàn)組織老化、硬度偏低的現(xiàn)象。

4結(jié)論

（1）P91彎頭現(xiàn)場硬度偏低區(qū)域組織明顯老化，取樣部位硬度、強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合力學(xué)性能較差，將嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

（2）根據(jù)各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果可知P91鋼管道的硬度能很好地反映材料綜合力學(xué)性能，現(xiàn)場進(jìn)行的金相、硬度檢驗(yàn)對(duì)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(dǎo)致的各項(xiàng)強(qiáng)化作用（位錯(cuò)強(qiáng)化、第二項(xiàng)強(qiáng)化以及固溶強(qiáng)化）減弱。其根本原因可能與彎頭的生產(chǎn)過程有關(guān)，因此其出廠檢驗(yàn)必須嚴(yán)格把關(guān)。

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文章編號(hào)：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.