專題講座資料（2021-2022年）低硬度P91鋼高溫部件安全性能研究與評價中國電力科技網(wǎng)溫州會議

1、2010.11 中國 溫州 600/1000 MW超超臨界機組技術(shù)交流2010年會低硬度P91鋼主蒸汽管道安全性能研究與評價蔡文河 李煒麗 趙衛(wèi)東 王智春華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司（100045）摘要：為了研究低硬度P91材質(zhì)的蒸汽管道和聯(lián)箱在運行中的安全性能，通過對服役1萬小時的低硬度P91管道進行解剖試驗，分析了低硬度管材顯微組織與常溫力學(xué)性能、540、566以及600下高溫力學(xué)性能和持久試驗的關(guān)系，并對現(xiàn)場里氏硬度測試方法的準(zhǔn)確性進行了對比試驗和研究，獲得了現(xiàn)役P91管道的判別標(biāo)準(zhǔn)，給出了在役P91管道的安全性評價結(jié)果和監(jiān)督技術(shù)反措。關(guān)鍵詞：低硬度 P91 蒸汽管道 安全性評價1 前

2、言隨著大容量、高參數(shù)超（超）臨界機組在我國火力發(fā)電廠的迅猛發(fā)展，593 /10萬h條件下持久強度可達到100MPa 的P91材料廣泛的應(yīng)用于溫度高于566的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及其旁路、高溫聯(lián)箱等高溫部件。鑒于P91的良好耐熱性，甚至540的亞臨界機組也應(yīng)用較為廣泛。在超（超）臨界機組建設(shè)初期，P91主要依賴于進口，由于進口量極大，我國雖然經(jīng)歷了使用假P91的歷程，但在短短幾年內(nèi)就完成了P91的國產(chǎn)化目標(biāo)。按照ASME SA335-SA335M 的要求P91材質(zhì)管道的硬度不超過250HB，然而在P91材料的檢驗過程中，不管是進口材料、還是國產(chǎn)材料，其硬度偏低已經(jīng)是一個很普遍的問題。其硬度值

3、可分為兩檔：一是介于160180HB之間，一是介于140160HB之間，個別的部件甚至更低，同時還出現(xiàn)組織不合格的情況。因此，在電力行業(yè)新頒布的DL/T438-2009火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程中明確提出了，P91材料的硬度不得低于180HB的要求。但是在已經(jīng)運行的P91管道和聯(lián)箱仍存在大量的低硬度的現(xiàn)象，這給機組的長期穩(wěn)定運行帶來了嚴(yán)重的安全隱患。對低硬度P91蒸汽管道、聯(lián)箱安全性能進行評價無疑是極其重要的。2 P91鋼主汽管道硬度偏低歸納P91常見的硬度問題總結(jié)起來，可以分以下幾類：（1）管道直管外表面硬度分布均勻，但整體偏低；（2）管道直管外表面硬度分布不均勻，局部硬度偏低；（3）管道彎

4、頭硬度分布不均勻，背弧面硬度低，內(nèi)弧以及彎頭上的直管段硬度正常；（4）管道由外壁至內(nèi)壁硬度分布不均勻，外壁一定范圍內(nèi)硬度較低，而內(nèi)壁正常；（5）管道由外壁至內(nèi)壁硬度整體偏低。例如，某電廠2MS-9組件彎管標(biāo)高為23.6米，規(guī)格為Di368.3×41mm。檢驗方案及標(biāo)記方法為：沿著介質(zhì)流向依次環(huán)向做硬度檢驗，每環(huán)以英文字母A起標(biāo)記，每兩環(huán)之間的間距約為0.5m。每環(huán)的周圈取八點，兩點之間角度間隔約45°，迎向介質(zhì)觀察從彎管背弧起以標(biāo)記，按逆時針依次類推標(biāo)記為，具體檢驗位置如圖1所示。該彎管在背弧長約2米，夾角約為90°（即和兩個位置間夾角）的范圍內(nèi)硬度值較低，在13

5、0HB160HB之間，最低的區(qū)域(C附近)達到138HB，外表面硬度分布明顯不均勻，低硬度主要分布在背弧面。如將管道沿徑向展開，其具體硬度分布如圖2所示，硬度低區(qū)域的顯微組織如圖3所示。圖1 2MS-9組件彎管檢驗示意圖圖2 2MS-9組件彎管硬度分布圖3 硬度異常位置的金相組織同樣的情況可在許多電廠可見。某電廠主蒸汽管道90°彎頭，材質(zhì)為P91,在服役后的檢修過程中，發(fā)現(xiàn)彎頭硬度分布不均勻，背弧面局部硬度低，在140HB160HB之間，低硬度位置金相組織異常，出現(xiàn)鐵素體，且馬氏體位相明顯消失，而彎頭兩端直段以及內(nèi)弧面硬度正常。另某電廠美國產(chǎn)A335 P91管道，規(guī)格ID368

6、15;42mm，在對管道端面處檢驗中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外壁硬度分布不均勻，距外表面20mm范圍內(nèi)硬度值偏低，在160HB170HB之間，其他部位硬度值為180HB200HB。3 測試方法和特點在對管道和聯(lián)箱的研究和現(xiàn)場檢驗中，常用的試驗方法有三種：一是用里氏硬度計對部件進行現(xiàn)場測試，二是用錘擊式硬度計對部件進行現(xiàn)場測試，三是對部件進行解剖，在實驗室中用臺式布式硬度進行測試。布氏硬度是在一定的檢測力作用下，壓力與試樣壓痕面積的比值。其特點測量精度高、重復(fù)性好。里氏硬度是通過規(guī)定一定質(zhì)量的沖擊體，以一定速度沖擊試樣表面，用沖擊頭在距離試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算其硬度值。其特點是精度高，

7、可以保證±0.8%。錘擊式硬度的原理與布氏硬度測試方法一致，但其誤差較大，所以也稱“近似硬度檢測法”。在現(xiàn)場進行硬度檢測時，臺式布氏硬度測量時不可行的，多采用便攜里氏硬度進行測量，依據(jù)的測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17394-1998金屬里氏硬度試驗方法。但是GB/T17394中明確規(guī)定其所測試對象為低碳鋼、低合金鋼和鑄鋼，超出這些材料的范圍應(yīng)進行對比試驗，找出對應(yīng)關(guān)系，這樣才能準(zhǔn)確的記錄材料的真實硬度。GB/T17394第8條還規(guī)定，“應(yīng)盡量避免將里氏硬度換算成其他硬度”，且“應(yīng)在里氏硬度符號之前附以相應(yīng)的硬度符號。例如400HVHLD表示用D型沖擊裝置測定的里氏硬度值換算的維氏硬度為400

8、”。因此，對于P91鋼，在現(xiàn)場進行硬度測試時，應(yīng)對其進行實驗室模擬對比試驗，得出換算關(guān)系。4 試驗研究與結(jié)果分析試樣材料取于某電廠在役的的P91鋼主蒸汽管道，規(guī)格為Di368.3×41mm?，F(xiàn)場硬度測試為130-160HBHLD。4.1 化學(xué)成分分析如表1所示，現(xiàn)場取樣管的化學(xué)成分滿足A335 P91規(guī)定要求。表1 現(xiàn)場割取P91鋼化學(xué)成分分析（%）元素CSiMnPSCrMo標(biāo)準(zhǔn)要求0.080.120.200.500.300.600.0200.0108.009.500.851.05實測含量0.0760.300.440.00890.00148.330.88元素NiVAlNbNOH標(biāo)準(zhǔn)要

9、求0.400.180.250.040.060.10.0300.07-實測含量0.170.210.00420.0720.0500.00170.000074.2 低硬度對比試驗大量現(xiàn)場試驗已經(jīng)表明，用里氏硬度計測量的硬度值與實驗室用臺式硬度計的測量值存在一定的偏差。要得到實際的硬度值，就要進行對比試驗。按照GB/T17394中的數(shù)據(jù)換算表畫出的 HLD與HBHLD的換算曲線如圖4所示。 圖4 GB/T17394中的 HLD與HBHLD 圖5 臺式硬度計對P91直測HB值與里氏的換算曲線 硬度計直測HLD值的對比關(guān)系曲線對現(xiàn)場割取的低硬度P91試樣進行測試，對比關(guān)系如圖5所示。按照GB/T 1739

10、4金屬里氏硬度試驗方法的數(shù)據(jù)換算表進行換算，472HLD相當(dāng)于180HBHLD，448HLD相當(dāng)于160HBHLD（圖4）。然而在對P91實際管樣進行解剖對比試驗時可知，里氏硬度計實測值450HLD與臺式硬度計實測180HB的試樣相當(dāng)，里氏硬度計實測值425HLD與臺式硬度計實測160HB的試樣相當(dāng)（圖5）。由此可見，用便攜式里氏硬度計測量的里氏硬度值經(jīng)換算表或者儀器直讀的HBHLD值要比臺式布氏硬度計測量的HB值小20HB左右。即160HBHLD（450HLD）左右的P91鋼，其布氏硬度應(yīng)為180HB、140HBHLD（425HLD）左右的P91鋼，其布氏硬度應(yīng)為160HB。為了得到P91鋼

11、不同的硬度值，將P91鋼試樣在1050正火后，分別于710、730、750、770、790、810、820、830、840各回火保溫1h，然后觀察金相組織，并測試布氏硬度值，同事將試樣送至中國計量研究院進行里氏和布氏對比試驗，對比結(jié)果如圖6、7所示。其金相組織如圖8所示。由圖可見，730回火后為板條馬氏體；750、770、790回火后金相組織為回火馬氏體，但790時板條有所變寬；在810、830回火后的組織中，除回火馬氏體外，還出現(xiàn)了微量的小鐵素體塊以及少量的細窄板條淬火馬氏體，淬火馬氏體是由奧氏體自高溫（超過A1相變點）冷卻時轉(zhuǎn)變而成的。出現(xiàn)硬度降低的原因是由于P91在回火溫度過高所致。圖6

12、 不同溫度回火后里氏硬度與布氏硬度的對比關(guān)系圖7 P91鋼里氏硬度與布氏硬度擬合曲線圖 圖8-1 回火（730）金相組織 圖8-2 回火（750）金相組織 圖8-3 回火（770）金相組織 圖8-4 回火（790）金相組織 圖8-5 回火（810）金相組織 圖8-6 回火（830）金相組織圖8 不同回火溫度下的P91鋼金相組織4.3 力學(xué)性能針對P91鋼現(xiàn)場測試的硬度值，對160HB/140HBHLD（425HLD）、180HB/160HBHLD(450HLD)的硬度進行力學(xué)性能測試，其結(jié)果如表2、3和表4、5所示。表2 P91鋼硬度值為160HB/140HBHLD（425HLD）左右的力學(xué)性

13、能結(jié)果序號溫度 t/抗拉強度 Rm/MPa屈服強度 RP0.2/MPa斷延A/面縮Z/沖擊吸收功KV2/J備注1室溫（均值）560282.533.870.5126.3ASME SA33558541520(縱向)GB5310住友數(shù)據(jù)68552125.872.9V&M數(shù)據(jù)742591254031318542.381.8253.3GB5310269.2資料數(shù)據(jù)（223HB）48542317.874.25463566275161.53983.8249.5GB5310240資料數(shù)據(jù)4123762085167460024515250.389.3242.7GB5310198資料數(shù)據(jù)290從表2種可以

14、看出，硬度為160HB/140HBHLD（420HLD）的P91鋼的室溫抗拉強度和屈服強度均大幅度下降，尤以屈服強度下降幅度最大。其結(jié)果如表3所示。與正常的P91鋼相比，室溫下屈服強度比ASME SA335的要求下降了32%，抗拉強度下降了4%。與日本住友的數(shù)據(jù)相比，屈服強度下降了46%，抗拉強度下降了18%。與V&M相比，屈服強度下降了52%，抗拉強度下降了25%。表3 硬度值為160HB/140HBHLD（425HLD）P91鋼力學(xué)性能與相關(guān)數(shù)據(jù)對比下降結(jié)果序號溫度 t/抗拉強度 Rm/MPa屈服強度 RP0.2/MPa備注1室溫與ASME SA335室溫數(shù)據(jù)對比4%32%與住友室

15、溫數(shù)據(jù)對比18%46%與V&M室溫數(shù)據(jù)對比25%52%2540與資料數(shù)據(jù)對比（223HB）36%56%與GB5310對比-31%3566與資料數(shù)據(jù)對比33%57%與GB5310對比-33%4600與資料數(shù)據(jù)對比16%-與GB5310對比-23%540下的屈服強度和抗拉強度與有關(guān)資料相比分別下降了56%和36%。屈服強度與GB5310下限值相比下降了31%。566下的屈服強度和抗拉強度與有關(guān)資料相比分別下降了57%和33%。屈服強度與GB5310下限值相比下降了33%。600下的抗拉強度下降了16%。屈服強度與GB5310下限值相比下降了23%。由此可見，硬度值為160HB/140HBH

16、LD（425HLD）P91鋼力學(xué)性能下降幅度很大。同樣分析硬度在180HB/160HBHLD（450HLD）P91鋼力學(xué)性能。如表4、5所示。室溫、540、566和600下的抗拉強度和屈服強度均高于ASME SA335或GB5310下限值的要求。但與相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)相比要低，在14-25%之間。尤其與硬度在223HB的P91鋼在546下的力學(xué)性能相比，抗拉強度和屈服強度均下降了25%?？梢姡捕葹?80HB的P91鋼，其力學(xué)性能可以滿足規(guī)范的要求，但位于下限。這也是將P91鋼的硬度規(guī)定其下限值為180HB的理由。表4 P91鋼硬度值為180HB/ 160HBHLD（450HLD）左右的力學(xué)性

17、能結(jié)果序號溫度 t/抗拉強度 Rm/MPa屈服強度 RP0.2/MPa斷延A/面縮Z/沖擊吸收功KV2/J備注1室溫637.5445.024.065.394.0ASMESA33558541520(縱向)GB5310住友數(shù)據(jù)68552125.872.9V&M數(shù)據(jù)7425912540365.0317.525.079.0180.8GB5310269.2某廠546數(shù)據(jù)（223HB）48542317.874.23566342.5300.028.081.5176.2GB5310240資料數(shù)據(jù)41237620851674600310.0277.531.585.5201.0GB5310198資料數(shù)據(jù)2

18、90表5 硬度值為180HB/160HBHLD（450HLD）P91鋼力學(xué)性能與相關(guān)數(shù)據(jù)對比結(jié)果序號溫度 t/抗拉強度 Rm/MPa屈服強度 RP0.2/MPa備注1室溫與ASME SA335數(shù)據(jù)對比9%7%與住友室溫數(shù)據(jù)對比7%15%與V&M室溫數(shù)據(jù)對比14%25%2540與資料數(shù)據(jù)對比（223HB）25%25%與GB5310對比-18%3566與資料數(shù)據(jù)對比17%20%與GB5310對比-25%4600與資料數(shù)據(jù)對比7%-與GB5310對比-40%4.4 高溫持久性能分別對硬度在160HB/ 140HBHLD（420HLD）和180HB/ 160HBHLD（450HLD）的P91鋼

19、在540和566的高溫下進行持久強度測試。從短時間的斷裂時間可以看出，160HB/140HBHLD（420HLD）的斷裂時間與硬度在223HB的P91鋼相比，其差距巨大。160HB/140HBHLD（420HLD）的管樣在540下200MPa的斷裂時間僅為135h，而硬度在223HB的P91鋼的斷裂時間為9226h。將初始應(yīng)力降低到140MPa，其斷裂時間也很低，為1881h。在566、140MPa下的斷裂時間也僅為125h。可見，雖然短時間的持久試驗具有一定的分散性，但巨大的數(shù)據(jù)下降，足以說明，硬度低的P91鋼，其高溫持久強度很差，會嚴(yán)重影響的運行的安全性。 180HB/ 160HBHLD（

20、450HLD）的管樣在566下200MPa的斷裂時間僅為1692h，與硬度在223HB的P91鋼的斷裂時間為為9226h也有一定的差距。根據(jù)持久試驗的數(shù)據(jù)，其斷裂時間與初始應(yīng)力的關(guān)系如圖9所示。圖9 540和566下低硬度P91鋼持久強度外推趨勢曲線經(jīng)初步計算，外推10萬小時的持久強度見表7所示。可見布氏硬度值在180HB時其10萬小時的持久強度與GB 5310-2008相比相當(dāng)，這說明，P91鋼的硬度要求180HB的下限值是一個絕對下限。而160HB硬度值的10萬小時外推強度比GB 5310-2008的推薦值小了一半?？梢娫诂F(xiàn)場硬度檢驗中，最低限的要求是不能放松的。綜合上述實驗結(jié)果，對于現(xiàn)場測試低硬度的P91鋼，按照對比曲線，里氏硬度在420HLD的P91鋼，用里氏硬度計直接讀數(shù)或者按照GB/T17394進行布氏硬度換算，布氏硬度值為140HBHLD，其臺式布氏硬度計的測試結(jié)果為160HB。里氏硬度在450HLD的P91鋼，用里氏硬度計直接讀數(shù)或者按照GB/T17394進行布氏硬度換算，布氏硬度值為160HBHLD，其臺式布氏硬度計的測試結(jié)果為180