P22主蒸汽管道運行20萬小時后壽命評估

摘" 要：該文對某電廠運行21.6萬小時的320 MW機組的P22鋼主蒸汽管道進行取樣試驗，并對試驗結果進行壽命評估。結果表明，雖然主蒸汽管道母材的性能有所下降，但組織未見明顯劣化，且未見蠕變孔洞，在機組規范的運行及監督檢修維護前提條件下，按未來預計年平均運行小時數6 500 h/a估算，機組可繼續安全運行10年以上。

關鍵詞：P22;主蒸汽管道;剩余壽命評估;20萬小時;蠕變

中圖分類號：TK247" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0084-04

Abstract： In this paper， a sampling test is carried out on the P22 steel main steam pipe of a 320MW unit running for 216000 hours in a power plant， and the life of the test results is evaluated. The results show that although the performance of the base metal of the main steam pipe has declined， the structure has not been obviously deteriorated， and no creep hole has been seen. Under the premise of standard operation and supervision， maintenance and maintenance of the unit， according to the estimated average annual operation hours of 6 500 hours/year in the future， the unit can continue to operate safely for more than 10 years.

Keywords： P22; main steam pipe; residual life assessment; 200000 hours; creep

某電廠1號機組為320 MW燃煤機組，鍋爐為哈爾濱鍋爐廠制造的300MWHG-1021/182-YM3型、亞臨界、中間再熱自然循環汽包爐，機組于1993年投入運行，至2024年累計運行約21.6萬小時，累計啟停238次。

為了掌握機組的安全狀態和剩余壽命，根據GB/T 30580—2014《電站鍋爐主要承壓部件壽命評估技術導則》以及DL/T 654—2009《火電機組壽命評估技術導則》等規章制度，對機組主蒸汽管道進行了壽命評估。

1" 試驗內容

某電廠1號機組主蒸汽管道材質為A335-P22，相當于國產2.25Cr-1Mo鋼，該鋼具有良好的加工性能和持久性能[1]，現場管道規格主要為Ф610 mm×110 mm、Ф540.8 mm×85.34 mm、Ф556.5 mm×93.22 mm等，現場在Ф610 mm管段割長為500 mm管段進行實驗。采用的實驗主要內容包括：硬度測試、拉伸試驗、沖擊試驗、韌脆性轉變溫度試驗、金相檢驗、高溫持久試驗及蠕變損傷等。

1.1" 硬度測試

在對主蒸汽管道進行硬度試驗中，每個試樣沿壁厚方向自外壁向內壁取3個部位（分別為近外壁、中部和近內壁試樣），在每個部位進行硬度測試。試驗載荷為30 kg，加載時間為15 s，試驗結果見表1。

由表1可知，主蒸汽管道母材的硬度值均符合標準要求。

1.2" 拉伸試驗

1.2.1" 室溫拉伸性能

在主蒸汽管道取樣進行室溫拉伸性能試驗，按照標準 GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗，拉伸試驗機型號為CMT5205，試驗結果見表2。

由表2可知，主蒸汽管道的規定塑性延伸強度低于標準對新管要求的下限值，其余拉伸性能均符合標準對新管的要求。

1.2.2" 高溫拉伸性能

在主蒸汽管道取樣進行高溫拉伸性能試驗，按照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》，在MTS810電磁伺服試驗機上進行540 ℃下高溫拉伸試驗，結果見表3。

由表3可知，主蒸汽管道高溫規定塑性延伸強度符合參照標準的要求。

1.3" 沖擊試驗

在主蒸汽管道壁厚中部取橫向樣進行沖擊性能試驗，結果見表4。由表4可知，主蒸汽管道的沖擊吸收能量符合標準對新管的要求。

1.4" 韌脆轉變溫度試驗

脆性轉換溫度是評價一種鋼種性能優劣的重要指標，如果轉換溫度過高，在應用過程中就有可能出現脆性破裂，從而導致事故[2]。在主蒸汽管道上取樣，加工成一組橫向夏比V型缺口沖擊試樣進行韌脆轉變溫度試驗。

一般情況下，原始態高溫管道材料的韌脆轉變溫度低于0 ℃，但經長期高溫服役后，其韌脆轉變溫度隨著運行時間的延長而逐漸升高，見表5。主蒸汽管道的韌脆轉變溫度分別為36 ℃和37 ℃，說明母材存在一定程度的脆化。

1.5" 金相檢驗

在主蒸汽管道上截取金相試樣，對其進行金相檢驗，球化評級依據DL/T 999—2006《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評級標準》[3]。金相組織照片如圖1所示，由圖1可知，主蒸汽管道母材組織為鐵素體+貝氏體，內壁氧化層最厚處為0.32 mm，球化級別為3級。

1.6" 高溫持久試驗

1.6.1" 壁厚校核及環向應力計算

根據GB/T 16507.2—2022《水管鍋爐 第2部分：材料》對主蒸汽管道部分進行壁厚校核，主蒸汽管道材質為P22，規格分別為Ф610 mm×110 mm/Ф540.8 mm×85.34 mm/Ф556.5 mm×93.22 mm/Ф413.8 mm×69.6 mm和Ф323.9 mm×60 mm，校核結果見表6。

由計算結果可知，在設計參數下，主蒸汽管道P22管段的最小需要壁厚分別為84.35 mm/74.78 mm/76.95 mm/57.11 mm/44.79 mm，實際壁厚分別為104.11 mm/84.92 mm/86.70 mm/64.45 mm/55.18 mm，大于各自的最小需要壁厚，且有較大的壁厚余量。

又根據DL/T 940—2022《火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》，對主蒸汽管道進行環向應力計算，計算結果見表7。由計算結果可知，主蒸汽管道直管環向應力為42.27 MPa。

1.6.2" 高溫持久實驗

在試驗用主蒸汽管道的中間部位，沿著軸向割取持久試驗試樣，試樣為圓柱樣，截面直徑為Φ10 mm，幾何形狀和相關尺寸如圖2所示。

按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》，溫度控制在540 ℃，在RDL50型持久試驗機上進行恒載荷持久試驗[4]。試驗控溫精度小于等于±3 ℃，溫度梯度小于等于3 ℃，試驗機負荷精度小于等于±1%。

1.6.3" 持久試驗結果

主蒸汽管道在540 ℃不同應力下的持久試驗結果見表8。

1.6.4" 剩余壽命估算

本次評估基于P22主蒸汽管道的高溫持久試驗數據，采用等溫線外推法對主蒸汽管道的蠕變剩余壽命進行評估[5]。根據持久試驗結果，在給定的溫度下，應力和斷裂時間tr之間的經驗公式為

σ=A（tr）m ， （1）

式中：σ為加載應力，MPa;tr為斷裂時間，h;A、m為材料常數。

在雙對數坐標下采用最小二乘法對表1—表6中數據進行擬合（圖3）得到中值線方程，再對其在縱坐標方向取0.8的下分散帶系數，求得540 ℃下的主蒸汽管道試驗應力與其斷裂時間之間的方程為

σ=214.97 tr-0.073 。" " " " " "（2）

根據DL/T 940—2022《火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》要求[6]，在持久試驗外推持久強度時，外推的規定時間應小于最長試驗時間的10倍。將主蒸汽管道環向應力代入式（1）、式（2）進行計算，并扣除從取樣至今的運行時間，得到主蒸汽管道段的蠕變剩余壽命大于8萬小時，按未來預計年平均運行小時數6 500 h/a估算，1號機組可繼續安全運行10年以上。

2" 結論

根據以上數據可知，主蒸汽管道的硬度值、室溫及高溫拉伸性能、沖擊吸收能量符合標準對新管的要求，剪切斷面率為50%對應的韌脆轉變溫度為36 ℃，母材組織為鐵素體+貝氏體，內壁氧化層最厚處為0.32 mm，球化級別為3級，雖然金相組織有輕度到中度的老化，但是這是P22管道長期使用時正常現象，所有數據未發現組織和性能出現加速老化現象。

根據高溫持久試驗數據，可計算出主蒸汽管道剩余壽命大于8.4萬小時，在正常工況下，按未來預計年平均運行小時數6 500 h/a估算，1號機組可繼續安全運行10年以上。

參考文獻：

[1] 吳紅良.長期服役P22鋼管道材料的性能及殘余壽命評估[D].北京：華北電力大學，2018.

[2] 張俊萍，肖功業，何彪.A335P22大口徑核電用無縫鋼管產品性能研究[J].四川冶金，2014（5）：27-33.

[3] 電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評級標準：DL/T 999—2006[S].

[4] 金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法：GB/T 2039—2012[S].

[5] 火電機組壽命評估技術導則：DL/T 654—2021[S].

[6] 火力發電廠蒸汽管道壽命評估技術導則：DL/T 940—2022[S].

作者簡介：汪龍平（1981-），男，碩士，工程師。研究方向為電廠金屬技術。