摘 要:某电站锅炉 T91耐热钢发生早期爆管失效,对该材料钢管进行矫顽力测量,并研究其组 织老化及性能降级规律。结果表明:钢管在老化过程中,材料的硬度逐渐降低,矫顽力递增,材料老 化与矫顽力遵循一定的函数变化关系;结合钢管累计运行时间、检验周期与矫顽力变化量,可动态 评估钢管在服役工况下发生严重老化的剩余时间。

关键词:电站锅炉;T91钢;矫顽力;老化 

中图分类号:TG142.1                                         文献标志码:A                                  文章编号:1001-4012(2022)06-0026-03 

T91耐热钢具有持久强度高、抗蠕变能力强、疲 劳强度好,以及价格适中等特点,在亚临界、超临界、 超超临界发电机组的高温承压部件上得到广泛应 用[1-3],然而随着锅炉的超温运行、管子堵塞等问题 的发生[4-5],锅炉管爆裂事故率仍然很高,带来巨大 的经济损失。T91是一种高铬马氏体耐热钢,其在 长期服役过程中,经高温、高压等作用,会发生不同 程度的显微组织老化及性能劣化降级,给机组的运 行带来隐患。现阶段并没有较好的方法来评估管道 老化状态及预测剩余寿命,都是通过割管检验的方 法来实现的,而割管检验周期长,严重影响电厂的发 电效率。笔者以失效的 T91钢管为研究对象,采用 矫顽力对钢管进行分析,并结合硬度试验和金相检 验结果,研究材料老化与矫顽力之间的变化关系,通 过测量矫顽力就可无损、快捷地预测 T91钢管在任 意服役条件下的老化组织特征及剩余持久寿命。

1 试验方法与结果 

1.1 试验对象

失效的过热器管(见图1)材料为 T91钢,其铬 元素的质量分数为8%~9.5%,钼元素的质量分数 为0.85%~1.05%,管子规格为51mm×7mm(外 径×壁厚),过热器出口压力为18.20 MPa,工作温 度为540 ℃,因钢管组织出现过热而在向火面发生 早期爆管[6],该钢管已经累计运行约36453h,爆管 使电厂出现非计划性停机,给电厂带来经济损失。

1.2 试验方法 

采用矫顽力对钢管进行表征,矫顽力属于材料 磁滞特征参数。铁磁性材料磁感应强度 B 的变化 总是滞后于磁场强度 H 的变化,这种现象称为磁 滞,其表征了铁磁性物质反复磁化过程中 B 与 H 之间的关系。当 H 减小为0时,B 并不为0,而等 于剩余磁感应强度Br。要使B 减为0,必须加一反 向磁化场,而当反向磁化场加强到-Hc 时,H 才为 零,此时 Hc 称为矫顽力。 

基于材料磁滞行为的矫顽力对材料显微组织演 变、材料损伤与应力等具有高度敏感性和较强的抗 干扰能力,主要应用于铁磁性分析试样中,尤其对存 在严重老化或应力敏感区材料的筛查。测量矫顽力 的方法快速、方便,现场环境适应能力强,通过更换 CMP-10/30两种不同规格的探头,可满足最大壁厚 或厚度为30mm 的钢管或钢板等的测试要求。笔 者采用 MC-WF-04型磁滞无损检测设备对失效的 T91钢管进行磁性矫顽力测量,结合显微组织分析 和维氏硬度试验,研究钢管老化过程中材料矫顽力 的变化规律。

1.3 金相检验 

分别 对 失 效 T91 钢 管 的 爆 口 位 置、距 爆 口 100mm 位置(上端侧)、端部位置(上端侧)及定期 检验的 T91割管试样的横截面进行环向取样,打磨 抛光后采用 Axiovert200MAT 型光学显微镜进行 显微组织分析。 

材料老化评级参考标准 DL/T884—2019 《火 电厂金相检验与评定技术导则》,试样的金相检验结 果表明:失效的 T91 钢 管 材 料 均 为 回 火 马 氏 体 组 织,钢管向火面老化程度明显高于背火面,其中爆口 位置向火面老化级别达5.0级;管样上端背火面老 化级别仅为3.0级;在各个试样的其他位置观察到老 化级别为4.5,4.0,3.5级;观察定期检验割管试样,其 材料为回火马氏体组织,晶粒度与失效的T91钢管晶 粒度基本保持一致,材料老化级别为2.5级。T91钢 管在不同老化级别下的显微组织形貌如图2所示。

1.4 维氏硬度试验 

依据 GB/T4340.1—2009《金属维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,采用 Durascan-70型维氏硬 度计对显微组织老化级别为2.5~5.0级的钢管位 置进行硬度试验,结果如表1所示。随着钢管老化 级别逐渐增加,材料维氏硬度检测结果逐渐递减;当 老化级别接近4.0级时,维氏硬度接近DL/T438— 2016《火力发电厂金属技术监督规程》附录 C 中的 下限值;当老化级别达4.5级时,维氏硬度明显低于 标准的下限值,力学性能呈现出明显劣化。

1.5 矫顽力测量 

采用 MC-WF-04型磁滞无损检测设备对显微 组织老化级别为2.5~5.0级的钢管位置进行矫顽 力测量,测 量 结 果 如 表 1 所 示。对 于 老 化 级 别 为 2.5~5.0级的钢管位置,随着钢管老化级别逐渐增 加,材料的矫顽力逐渐递增。

2 分析与讨论 

随着钢管试样组织老化程度的加剧,硬度呈现 为单调递减的趋势(见图3)。由于钢管材料长期在 高温条件下运行,碳化物沉淀相会逐渐析出、聚集和 粗化,固溶体中合金元素的脱溶和贫化现象越严重, 基体固溶度越弱,材料硬度越低[7-8] ;当钢管老化程 度接近 4.0 级时,硬度已不满足 DL/T438—2016 附录 C中的要求。 

随着钢管试样老化级别的增加,矫顽力逐渐递 增(见图3)。当磁畴壁移动受到阻力或畴壁内磁矩 改变受到阻力时,矫顽力都将受到影响[9],随着 T91 钢的不断老化,在老化过程中:① 晶粒内溶质元素 逐渐析出,并向晶界聚集,其晶格格点被杂质、空穴、 异类原子(置换式或间歇式)所占领或同类原子的排 布不同都可被看成点缺陷,由于点缺陷的数量多,且 分布相对均匀,其对畴壁的相互作用力将被抵消,对 于畴壁移动的钉扎作用不明显;② 碳化物粗化并与 铁、铬、钼、钒等元素形成碳化物,在高温环境下,晶 界、亚晶界以及板条界上形成细小 Laves相,晶界碳 化物空间为一种面缺陷,会形成较大作用范围的钉 扎中心,Laves相对晶界的钉扎都将约束畴壁的自 由移动,最终使得材料矫顽力测量值逐渐增加[9-11]。 结合维氏硬度与矫顽力的拟合曲线可知,当钢管试 样硬度下降至标准下限值185HV 时,其对应的矫 顽力为9.6A/cm。 

DL/T438—2016规定,在电 厂 过 热 器 和 再 热 器管检验监督的过程中,当材料为 T91的钢管组织 老化级别为5级时,应割管进行材料评定和寿命评 估工作。钢管老化级别与矫顽力的关系如图 4 所 示,老化级别A 与矫顽力测量值 Hc 之间的函数关 系如式(1)所示。 

由于钢管老化级别与服役时间的关系未知,且 高铬马氏体耐热钢的高温加速老化试验复杂(通常 包括高温加速组织老化与较低温下 Laves相的析 出),因而较难用单一工况下的服役时间表达其老化 级别变化情况。结合钢管定期检验周期间隔时长 ΔT、矫顽力变化量ΔHc 及钢管的累积运行时间T, 并根据矫顽力与老化级数关系系数0.67,可推导出 钢管距离严重老化(5级)的动态剩余时间 TR 的函 数关系,如式(2)所示。

3 结语 

材料在老化过程中,硬度与矫顽力表现为单调递 减或递增的变化关系。通过定期检验钢管矫顽力的 变化情况,工作人员可动态评估钢管在当前服役工况 下的持久寿命衰减情况,了解材料严重老化的剩余时 间,防止因材料老化失效导致的事故发生,该检测方 法方便快捷,具有较大的研究价值与应用空间。

参考文献: 

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<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 6期 (pp:26-28)>