摘 要:某電站鍋爐 T91耐熱鋼發(fā)生早期爆管失效,對該材料鋼管進行矯頑力測量,并研究其組 織老化及性能降級規(guī)律。結果表明:鋼管在老化過程中,材料的硬度逐漸降低,矯頑力遞增,材料老 化與矯頑力遵循一定的函數變化關系;結合鋼管累計運行時間、檢驗周期與矯頑力變化量,可動態(tài) 評估鋼管在服役工況下發(fā)生嚴重老化的剩余時間。

關鍵詞:電站鍋爐;T91鋼;矯頑力;老化

中圖分類號:TG142.1 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)06-0026-03

T91耐熱鋼具有持久強度高、抗蠕變能力強、疲 勞強度好,以及價格適中等特點,在亞臨界、超臨界、 超超臨界發(fā)電機組的高溫承壓部件上得到廣泛應 用[1-3],然而隨著鍋爐的超溫運行、管子堵塞等問題 的發(fā)生[4-5],鍋爐管爆裂事故率仍然很高,帶來巨大 的經濟損失。T91是一種高鉻馬氏體耐熱鋼,其在 長期服役過程中,經高溫、高壓等作用,會發(fā)生不同 程度的顯微組織老化及性能劣化降級,給機組的運 行帶來隱患。現階段并沒有較好的方法來評估管道 老化狀態(tài)及預測剩余壽命,都是通過割管檢驗的方 法來實現的,而割管檢驗周期長,嚴重影響電廠的發(fā) 電效率。筆者以失效的 T91鋼管為研究對象,采用 矯頑力對鋼管進行分析,并結合硬度試驗和金相檢 驗結果,研究材料老化與矯頑力之間的變化關系,通 過測量矯頑力就可無損、快捷地預測 T91鋼管在任 意服役條件下的老化組織特征及剩余持久壽命。

1 試驗方法與結果

1.1 試驗對象

失效的過熱器管(見圖1)材料為 T91鋼,其鉻 元素的質量分數為8%~9.5%,鉬元素的質量分數 為0.85%~1.05%,管子規(guī)格為51mm×7mm(外 徑×壁厚),過熱器出口壓力為18.20 MPa,工作溫 度為540 ℃,因鋼管組織出現過熱而在向火面發(fā)生 早期爆管[6],該鋼管已經累計運行約36453h,爆管 使電廠出現非計劃性停機,給電廠帶來經濟損失。

1.2 試驗方法

采用矯頑力對鋼管進行表征,矯頑力屬于材料 磁滯特征參數。鐵磁性材料磁感應強度 B 的變化 總是滯后于磁場強度 H 的變化,這種現象稱為磁 滯,其表征了鐵磁性物質反復磁化過程中 B 與 H 之間的關系。當 H 減小為0時,B 并不為0,而等 于剩余磁感應強度Br。要使B 減為0,必須加一反 向磁化場,而當反向磁化場加強到-Hc 時,H 才為 零,此時 Hc 稱為矯頑力。

基于材料磁滯行為的矯頑力對材料顯微組織演 變、材料損傷與應力等具有高度敏感性和較強的抗 干擾能力,主要應用于鐵磁性分析試樣中,尤其對存 在嚴重老化或應力敏感區(qū)材料的篩查。測量矯頑力 的方法快速、方便,現場環(huán)境適應能力強,通過更換 CMP-10/30兩種不同規(guī)格的探頭,可滿足最大壁厚 或厚度為30mm 的鋼管或鋼板等的測試要求。筆 者采用 MC-WF-04型磁滯無損檢測設備對失效的 T91鋼管進行磁性矯頑力測量,結合顯微組織分析 和維氏硬度試驗,研究鋼管老化過程中材料矯頑力 的變化規(guī)律。

1.3 金相檢驗

分別 對 失 效 T91 鋼 管 的 爆 口 位 置、距 爆 口 100mm 位置(上端側)、端部位置(上端側)及定期 檢驗的 T91割管試樣的橫截面進行環(huán)向取樣,打磨 拋光后采用 Axiovert200MAT 型光學顯微鏡進行 顯微組織分析。

材料老化評級參考標準 DL/T884—2019 《火 電廠金相檢驗與評定技術導則》,試樣的金相檢驗結 果表明:失效的 T91 鋼 管 材 料 均 為 回 火 馬 氏 體 組 織,鋼管向火面老化程度明顯高于背火面,其中爆口 位置向火面老化級別達5.0級;管樣上端背火面老 化級別僅為3.0級;在各個試樣的其他位置觀察到老 化級別為4.5,4.0,3.5級;觀察定期檢驗割管試樣,其 材料為回火馬氏體組織,晶粒度與失效的T91鋼管晶 粒度基本保持一致,材料老化級別為2.5級。T91鋼 管在不同老化級別下的顯微組織形貌如圖2所示。

1.4 維氏硬度試驗

依據 GB/T4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,采用 Durascan-70型維氏硬 度計對顯微組織老化級別為2.5~5.0級的鋼管位 置進行硬度試驗,結果如表1所示。隨著鋼管老化 級別逐漸增加,材料維氏硬度檢測結果逐漸遞減;當 老化級別接近4.0級時,維氏硬度接近DL/T438— 2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》附錄 C 中的 下限值;當老化級別達4.5級時,維氏硬度明顯低于 標準的下限值,力學性能呈現出明顯劣化。

1.5 矯頑力測量

采用 MC-WF-04型磁滯無損檢測設備對顯微 組織老化級別為2.5~5.0級的鋼管位置進行矯頑 力測量,測 量 結 果 如 表 1 所 示。對 于 老 化 級 別 為 2.5~5.0級的鋼管位置,隨著鋼管老化級別逐漸增 加,材料的矯頑力逐漸遞增。

2 分析與討論

隨著鋼管試樣組織老化程度的加劇,硬度呈現 為單調遞減的趨勢(見圖3)。由于鋼管材料長期在 高溫條件下運行,碳化物沉淀相會逐漸析出、聚集和 粗化,固溶體中合金元素的脫溶和貧化現象越嚴重, 基體固溶度越弱,材料硬度越低[7-8] ;當鋼管老化程 度接近 4.0 級時,硬度已不滿足 DL/T438—2016 附錄 C中的要求。

隨著鋼管試樣老化級別的增加,矯頑力逐漸遞 增(見圖3)。當磁疇壁移動受到阻力或疇壁內磁矩 改變受到阻力時,矯頑力都將受到影響[9],隨著 T91 鋼的不斷老化,在老化過程中:① 晶粒內溶質元素 逐漸析出,并向晶界聚集,其晶格格點被雜質、空穴、 異類原子(置換式或間歇式)所占領或同類原子的排 布不同都可被看成點缺陷,由于點缺陷的數量多,且 分布相對均勻,其對疇壁的相互作用力將被抵消,對 于疇壁移動的釘扎作用不明顯;② 碳化物粗化并與 鐵、鉻、鉬、釩等元素形成碳化物,在高溫環(huán)境下,晶 界、亞晶界以及板條界上形成細小 Laves相,晶界碳 化物空間為一種面缺陷,會形成較大作用范圍的釘 扎中心,Laves相對晶界的釘扎都將約束疇壁的自 由移動,最終使得材料矯頑力測量值逐漸增加[9-11]。 結合維氏硬度與矯頑力的擬合曲線可知,當鋼管試 樣硬度下降至標準下限值185HV 時,其對應的矯 頑力為9.6A/cm。

DL/T438—2016規(guī)定,在電 廠 過 熱 器 和 再 熱 器管檢驗監(jiān)督的過程中,當材料為 T91的鋼管組織 老化級別為5級時,應割管進行材料評定和壽命評 估工作。鋼管老化級別與矯頑力的關系如圖 4 所 示,老化級別A 與矯頑力測量值 Hc 之間的函數關 系如式(1)所示。

由于鋼管老化級別與服役時間的關系未知,且 高鉻馬氏體耐熱鋼的高溫加速老化試驗復雜(通常 包括高溫加速組織老化與較低溫下 Laves相的析 出),因而較難用單一工況下的服役時間表達其老化 級別變化情況。結合鋼管定期檢驗周期間隔時長 ΔT、矯頑力變化量ΔHc 及鋼管的累積運行時間T, 并根據矯頑力與老化級數關系系數0.67,可推導出 鋼管距離嚴重老化(5級)的動態(tài)剩余時間 TR 的函 數關系,如式(2)所示。

3 結語

材料在老化過程中,硬度與矯頑力表現為單調遞 減或遞增的變化關系。通過定期檢驗鋼管矯頑力的 變化情況,工作人員可動態(tài)評估鋼管在當前服役工況 下的持久壽命衰減情況,了解材料嚴重老化的剩余時 間,防止因材料老化失效導致的事故發(fā)生,該檢測方 法方便快捷,具有較大的研究價值與應用空間。

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<文章來源>材料與測試網>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>6期(pp:26-28)>