P91 主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复

P91 主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复 优秀，值得下载～ P91主蒸汽管道硬度偏低问题的试验分析与恢复 1112122崔雄华,郑坊平，谢继旭，唐丽英，杨世原，邹建新 (1. 西安热工研究院有限公司 陕西西安 710032;2. 国电成都金堂发电有限公司 四川成都 610400) 摘 要:本文通过力学性能等常规试验和热处理试验对电厂锅炉的P91主蒸汽管道硬度偏低问题进行了分析与研究。试验结果表明，所取管段的外壁硬度和横截面上的硬度值都偏低而且分布不均匀，硬度偏低位置的室温和高温(545?)抗拉强度屈服强度均不符合ASME SA-335/SA-335M。对硬度偏低和硬度较高部位分别取样进行重新热处理试验，结果金相组及 织均正常，硬度值和拉伸性能均恢复到正常状态。可见重新热处理后的各项试验结果值均符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求。这表明参照规范的热处理工艺以及严格控制热处理各环节的质量，管道的硬度和拉伸性能可以恢复正常。 关键词:主蒸汽管道;硬度;力学性能;热处理 中图分类号:TG113 文献标识码:A 文章编号: 0 引言 9Cr-1Mo-V-Nb-N钢(简称91钢，前冠P为大直径用厚壁管，前冠T为锅炉用小管，前冠F为锻件)属改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢，该钢不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具 [1~3]有良好的冲击韧性和高而又稳定的持久塑性及热强性能。由于这种钢具有许多优越的特殊性能，作为高温承压部件已在火力发电厂得到广泛应用，国内外专家学者对其性能有待于改进的方面也做了大量的试 [4~6]验研究，如焊接工艺性能。国电成都金堂发电有限公司#1机组为600MW亚临界燃煤发电机组，B-MCR工况下过热蒸汽出口温度为541?，出口压力为17.47MPa，该机组在安装前检验过程中发现部分主蒸汽管道局部硬度值偏低而且分布很不均匀。由于标准上未给出硬度值的下限值，但硬度与强度有着一定的对应关系，硬度偏低强度也就偏低，因此该批管道能否直接应用就存在了很大的疑问。该批主蒸汽管道是由德国曼尼斯曼公司制造生产，材质为P91，规格为ID343×36mm。本文主要通过一些常规的力学性能等试验 并提出了有效的解决措施。 和热处理试验对管段局部硬度值偏低问题进行了试验分析 1 试验 由于管段的硬度值偏低而且分布很不均匀，课题组把管段沿圆周方向等间距每隔45?共分为8个块料进行研究，如图1所示，每个块料依次标为45?、90?、135?、180?、0?、-45?、-90?、-135?。首先通过硬度试验选取硬度值最低的块料及硬度值较高的块料，然后进行室温拉伸、高温(545?)拉伸、冲击、金相分析及重新热处理试验。 管段外壁硬度测量采用美国产便携式HT1000型硬度计进行，管段横截面上硬度测量在HB3000型台[7][8]式硬度计上进行;室温拉伸试验、高温(545?)拉伸试验分别按照GB/T 228-2002、GB/T 4338-1995标准[9]在MTS880型电液伺服试验机上进行;冲击试验按GB/T 229-1994标准在JBC,300电子测力冲击试验机[10]上进行;金相分析按照GB/T 13298-1991标准在OLYMPUS GX71型光学显微镜下进行;热处理试验在洛阳市永泰试验电炉厂制造的型号为KSS,1600?的电炉中进行。 485mm A端 B端? 180?135, ? 135焊?90, ?90缝 ?45,?45 ?0 mmmm140225 图1 标记8个角度位置的管段示意图 Fig.1 Sketch map of pipe marked with 8 angles 2 试验分析结果 作者简介:崔雄华(1973-)，男，陕西户县人，高级工程师，硕士，从事火电厂金属部件失效分析与寿命评估方面的研究。E-mail:cuixionghua@tpri.com.cn 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ 2.1 化学成分分析 在管道上取样进行化学成分分析，分析结果列于表1。由表1可知，该管段样品化学成分符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求，未见异常。 表1 化学成分分析结果(wt%) Table 1 Analysis result of chemical composition (wt%) 元素 C Si Mn S P Cr Mo V Nb Al Ni 试样 粉末样 0.11 0.24 0.37 0.007 0.010 9.22 0.87 0.20 0.09 0.01 0.18 ASME SA335 0.08, 0.20, 0.30, ? ? 8.00, 0.85, 0.18, 0.06, ? ? [11]P91 0.12 0.50 0.60 0.010 0.020 9.50 1.05 0.25 0.10 0.04 0.40 2.2 硬度检验 管段外壁硬度和横截面硬度测量示意图分别如图2、图3所示，测量结果分别列示于表2和表3。由表2和表3可知，管段外壁硬度和横截面硬度有相似规律，两者的硬度值都偏低而且分布不均匀。从-135?区域到180?区域，外壁硬度平均值依次为186,185,186,182,156,150,177,191;横截面硬度平均值依次为192,191,191,187,176,168,180,195。90?区域的外壁硬度和横截面硬度值均为最低，分别为150HB、168HB，其次为45?区域的硬度值。很明显，相邻的45?区域和90?区域的硬度值比其它角度的硬度值明显偏低，这是由热处理过程中管子局部受热不均匀造成的。 ,485mm,, A焊,B焊,焊135?180?,,,,,,135?焊90?焊1234,,,,近内壁焊,,,,,90?,焊45?近内壁中,,45?,,,0?近外壁中,,225mm近外壁140mm,,,, 图2 管段外壁硬度测量示意图图 图3 管段横截面硬度测量示意图 Fig.2 Measuring sketch map of ektexine hardness Fig.3 Measuring sketch map of cross-section hardness 表2 管段外壁硬度测量结果(HB) Table 2 Measuring result of ektexine hardness (HB) 测点 1 2 3 4 平 均 硬 平 硬 平 硬 平 硬 平 值 度 均 度 均 度 均 度 均 截面 值 值 值 值 值 值 值 值 -135? 180,185,187 184 177,178,181 179 178,172,181 177 200,201,204 202 186 -90? 186,182,181 183 184,182,179 182 191,189,194 191 182,185,184 184 185 -45? 185,181,183 183 180,181,185 182 188,188,185 187 193,190,197 193 186 0? 177,179,184 180 176,176,181 178 / / 189,185,187 187 182 45? 153,153,146 151 152,147,153 151 157,160,153 157 166,163,170 166 156 90? 147,149,157 151 151,151,147 150 155,151,148 151 150,148,144 147 150 135? 179,180,186 182 177,178,179 178 173,168,173 171 177,178,169 175 177 180? 183,191,195 190 192,183,193 189 181,185,190 185 202,198,201 200 191 表3 管段横截面硬度测量结果(HB) Table 3 Measuring result of cross-section hardness (HB) 硬度值 截面位置 近外壁 近外壁中 近内壁中 近内壁 平均值 -135? 196 195 185 190 192 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ -90? 211 188 185 179 191 -45? 198 196 183 185 191 0? 193 188 183 184 187 45? 170 175 175 182 176 90? 179 167 163 163 168 135? 177 182 182 177 180 180? 197 195 195 193 195 2.3 拉伸试验 在90?块料(硬度最低)靠近外壁处加工6个纵向拉伸样和6个横向拉伸样、-90?块料(硬度较高)靠 近内壁处加工6个纵向拉伸样，3个试样为一组，分别进行室温拉伸试验和高温(545?)拉伸试验，试验结 果分别如表4、表5所示。 表4 管段室温拉伸试验结果(Z,纵向;H,横向;W,外壁;N,内壁) Table 4 Result of tensile testing at room temperature (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner) 抗拉强度 屈服强度 抗拉强度 屈服强度 断后伸长率 Rm(Mpa) Rp0.2(Mpa) Rm(MPa) Rp0.2(Mpa) A(%) 试样编号 平均值 平均值 570 355 33 ZW(90?) 565 350 34 570 358 575 370 33 565 350 34 HW(90?) 570 350 34 567 350 565 350 33 660 505 29 ZN(-90?) 660 505 29 658 503 655 500 28 备注:ASME SA-335/SA-335M标准规定P91钢室温抗拉强度(Rm)?585MPa， 室温屈服强度(Rp0.2)?415MPa，延伸率A(纵向)?20%。 表5 高温(545?)拉伸试验结果(Z,纵向;H,横向;W,外壁;N,内壁) Table 5 Result of tensile testing at 545? (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner) 抗拉强度 屈服强度 抗拉强度 屈服强度 断后伸长率 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(%) 试样编号 平均值 平均值 340 245 37 ZW(90?) 340 255 36 342 252 345 255 37 360 245 37 HW(90?) 360 240 39 350 240 330 235 39 395 350 29 ZN(-90?) 400 360 31 398 355 400 355 29 [12]备注:GB5310-1995标准对10Cr9Mo1VNb的要求为550?屈服强度Rp?260MPa，0.2 插值计算得545?屈服强度Rp?268MPa 0.2 由表4可知，90?块料靠近外壁的室温拉伸性能较差，其纵向和横向的抗拉强度、屈服强度都不符合 ASME SA-335/SA-335M标准;-90?块料靠近内壁的室温纵向拉伸性能满足ASME SA-335/SA-335M标准的 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ 要求。由表5可知，90?块料靠近外壁的高温拉伸性能也较差，其纵向和横向的屈服强度都不符合GB5310-199标准对10Cr9Mo1VNb的要求;-90?块料靠近内壁的高温纵向屈服强度满足GB5310-1995标准对10Cr9Mo1VNb的要求。 2.4 冲击试验 在90?、-90?块料上加工标准的夏比缺口冲击试样，进行室温冲击试验，试验结果如表6所示。由表6可知，室温冲击功都在200J以上，其中90?块料的冲击功比-90?块料的冲击功大;纵向试样的冲击功比横向试样稍高;在管段的外壁、中部、内壁不同位置处所取试样的室温冲击功几乎没有明显差别。 表6 室温冲击试验结果(Z,纵向;H,横向;W,外壁;N,内壁) Table 6 Result of impact testing at room temperature (Z-Portrait; H-Transverse; W-Ektexine; N-Inner) 试样编号 A(J)试验值 A(J)平均值 KVKV ZW(90?) 295 301 279 292 HW(90?) 268 270 271 270 223 227 221 ZW(-90º) 224 234 231 223 ZN(-90º) 229 226 231 219 HN(-90º) 225 备注:ASME SA-335/SA-335M标准对P91冲 击功无明确规定，参照GB5310-1995 10Cr9Mo1VNb冲击功A V(纵向)?35J，kv A V(横向)?27J。 kv 2.5 金相组织分析 在90º块料、-90º块料上取样进行金相组织分析，金相组织照片如图5所示。从金相照片上可看到，试样的组织未见异常，均为较典型的板条状马氏体组织。 图5 金相组织照片 400× Fig.5 Pictures of metallographic examination 400× (a) Cross-section inner of 90º; (b) Cross-section ektexine of 90º; (c) Cross-section inner of -90º; (d) Cross-section ektexine of -90º 2.6 重新热处理后管段组织和性能的变化 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ 分别在90?块料(硬度值最低)、-90?块料(硬度值较高)上取样参照有关标准按图6的热处理流程进行热处理试验，具体热处理工艺如下:1050?正火1h，空冷到室温;760?回火1h，空冷到室温。 1050?,1h 760?,1h空温度冷正火回火 Ms Mf 时间(小时) 图6 热处理工艺流程曲线 Fig.6 Technology of heat-treatment 2.6.1 管段硬度的变化 试样经热处理后的硬度检验结果见表7所示。由表7可知，试样经热处理后，其硬度值明显增大而且数值分布也较均匀，90?块料和-90?块料的横截面硬度值分别从168HB恢复为202HB、191HB恢复为211HB，硬度值均符合ASME SA-335/SA-335M P91中的要求。 表7 热处理前后横截面硬度对比 Table 7 Cross-section hardness before and after heat-treatment 硬度值 截面位置 近外壁 近外壁中 近内壁中 近内壁 平均值 90?(未热处理) 179 167 163 163 168 90?(热处理后) 204 200 204 199 202 -90?(未热处理) 211 188 185 179 191 -90?(热处理后) 210 225 204 217 211 备注:ASME SA-335/SA-335M P91标准规定布氏硬度?250HB。 2.6.2 室温拉伸性能的变化 试样经热处理后的室温拉伸性能如表8所示。由表8可知，试样经热处理后，90?块料和-90?块料的室温抗拉强度分别从567MPa和658MPa上升到688MPa和703MPa，室温屈服强度分别从350MPa和503MPa上升到553MPa和575MPa，而断后伸长率略有下降，拉伸性能均符合ASME SA-335/SA-335M P91中的要求。 表8 热处理前后室温拉伸性能对比(Z,纵向;H,横向;N,内壁) Table 8 Tensile properties at room temperature before and after heat-treatment(Z-Portrait; H-Transverse; N-Inner) 抗拉强度 屈服强度 抗拉强度屈服强度 断后伸长率 Rm(MPa) Rp0.2(MPa) Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A(%) 试样编号 平均值 平均值 565 350 34 HW(90?) 570 350 34 567 350 565 350 33 热处理后679 559 25 688 553 HW(90?) 697 547 26 660 505 29 ZN(-90?) 660 505 29 658 503 655 500 28 热处理后700 570 24 703 575 ZN(-90?) 705 580 24 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ 备注:ASME SA-335/SA-335M标准规定P91钢室温抗拉强度(Rm)?585MPa，室温 屈服强度(Rp0.2)?415MPa，延伸率A(纵向)?20%。 2.6.3 金相组织的变化 图7是热处理后的90?块料和-90?块料的横向截面金相组织照片，同未热处理时相比，组织略有差异， 但依然是较明显的板条马氏体组织。 图7 热处理后的横向截面金相组织照片 Fig.7 Pictures of metallographic examination after heat-treatment (a) Cross-section inner of 90º; (b) Cross-section inner of -90º 3 结论 1)取样试验分析结果表明，该管段的化学成分符合ASME SA-335/SA-335M P91的标准要求，室温冲 击性能也符合相关标准，金相组织为典型的板条马氏体，未见异常。 2)布氏硬度试验和力学性能试验结果表明，管段的外壁硬度和横截面硬度都偏低而且分布不均匀， 硬度最低部位的室温拉伸性能、高温(545?)拉伸性能均不符合ASME SA-335/SA-335M、GB5310-1995标 准的要求，这是由于热处理不当所造成的。 3)对硬度最低及硬度较高部位取样参照有关标准进行重新热处理试验，结果金相组织均正常，同一 部位的横截面硬度也恢复正常而且分布均匀，室温抗拉强度和屈服强度均符合ASME SA-335/SA-335M、 GB5310-1995标准的要求。由此可见，参照规范的热处理工艺以及严格控制热处理各环节的质量，管道的 硬度和拉伸性能均可恢复到良好状态。 参考文献: [1] 《火力发电厂金属材料手册》编委会. 火力发电厂金属材料手册 [M]. 北京:中国电力出版社. 2001. 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The relationship among the fracture toughness and other mechanical properties of welds in a P91 main steel pipe [J]. Proceedings of the CSEE. 2005, 25(3):153-157 [7] GB/T 228. 金属材料-室温拉伸试验方法[S]. 2002. 优秀论文精选～ 优秀论文，值得下载～ GB/T 228. Metallic materials-Tensile testing at ambient temperature[S].2002. [8] GB/T 4338. 金属材料-高温拉伸试验[S]. 1995. GB/T 4338. Metallic materials -Tensile testing at elevated temperature[S]. 1995. [9] GB/T 229. 金属夏比缺口冲击试验方法[S]. 1994. GB/T 229. Metal charpy impact test (V-notch) [S]. 1994 [10] GB/T 13298. 金属显微组织检验方法[S]. 1991 GB/T 13298. Metal microstructure examination[S]. 1991 [11] ASME SA335/SA-335M P91. 高温用无缝铁素体合金钢公称管[S]. 2004. ASME SA335/SA-335M P91. Seamless ferrite alloy steel pipes for high temperature[S]. 2004. [12] GB 5310. 高压锅炉用无缝钢管[S]. 1995. GB 5310. Seamless steel tubes and pipes for high pressure boiler[S]. 1995 The Experimentation Analysis and Comeback of Problem about lower Hardness of P91 Main Steam Pipe 112122CUI Xiong-hua, ZHENG Fang-ping, XIE Ji-xu, TANG Li-ying, YANG Shi-yuan, ZOU Jian-xin (1. Thermal Power Research Institute, Xi’an 710032, Shanxi Province, China; 2. National Electric Chengdu Jintang Thermal Power Limited Company, Chengdu 610400, Sichuan Province, China) Abstract: The problem about lower hardness of P91 main steam pipe of thermal power plants has been investigated through a set of conventional tests such as mechanical property testing and heat-treatment experimentation. The results show that the hardness value of ektexine and cross-section of the pipe is not uniformity, and the tensile strength and yield strength of the lower hardness location at room temperature and high temperature (545?) are not accord with ASME SA-335/SA-335M standard. The hardness value and tensile properties of the lower and higher hardness locations come back to normal state by heat-treatment experimentation newly, and the metallographic tissue is also normal. It is obvious that all experimentation results of the pipe heattreatmented newly are accord with ASME SA-335/SA-335M P91 standard. It is show that the hardness and tensile properties can come back to normal state if the heat-treatment technology is canonical and the process quality is controlled strictly. Keywords: main steam pipe; hardness; mechanical property; heat-treatment 优秀论文精选～