P91钢蒸汽管道弯头材质劣化研究

P91钢蒸汽管道弯头材质劣化研究

蒋艳

蒋艳

福建省锅炉压力容器检验研究院福建福州350008

摘要：本研究对某火电厂超临界机组开裂的P91材质主蒸汽管道进行取样，分析了管道直管和弯头的化学成分，发现弯头的Nb元素含量严重偏低，而Al含量过高，且弯头母材组织的晶粒严重粗大不合格，同时弯头在热推成型过程中析出了大量异常二次相。这些不利因素的综合作用，导致主蒸汽管道弯头在使用过程中过早地发生开裂失效。

关键词：P91钢；管道；弯头；劣化

DeteriorationofP91materialsteampipeelbow

JIANGYan

（FujianInstituteofBoilerandPressureVesselInspectionResearch，Fuzhou，350008，China）

Abstract：Inthisstudy，crackingP91materialmainsteampipeinsupercriticalunitofapowerplantwassampledtoanalyzechemicalcomposit

ionofstraightandelbowpipeofthemainsteampipe.Theresultdisplayedthatthechemicalcompositionofelbowwasno

tqualifiedwithverylowNbthecontentandhighAlcontent.Moreover，grainsizeofelbowbasemetalalsowasnotqualifiedwithseriouscoarsegrain.Meanwhile，alotofabnormalsecondaryphasewereprecipitatedinthehotformingprocessofelbow.Thecomprehensiveeffect

oftheseunfavorablefactorsleadedtoprematurecrackingfailureofelbow.

Keywords：P91steel；pipeline；elbow；deterioration

1前言

面对越来越严峻的全球气候变暖趋势，联合国于1997年12月通过了《联合国气候变化框架公约的京都议定书》，以限制CO2等6种温室气体的排放量，中国作为该议定书的签约国之一，面临着艰巨的温室气体减排任务，国家“十一五”和“十二五”规划纲要也明确提出了具体的减排目标。而煤炭消耗作为CO2的重要排放源，在中国一次能源消费中占比超过70%，这其中火力发电消耗原煤占国内煤炭消费总量超过50%[1]，因此提高火力发电热效率是减少CO2排放的重要途径之一。为了提高火力发电热效率，发电机组向着大机组、高参数不断发展，使得蒸汽管道的工作压力和工作温度不断提高。研究表明，将蒸汽参数为16.7MPa/538℃/538℃的亚临界机组，提升到蒸汽参数为27MPa/585℃/600℃的超临界机组，则机组的热效率可从41.8%提高到44.4%，相应的煤电转化的煤耗量也从亚临界机组的平均345g/kW·h减少到超临界机组的290g/kW·h以下，从而降低发电成本，减少环境的污染[2]。但是设备工艺参数的提高对设备材料的高温性能要求更加严格，P91钢具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，常被用于超临界锅炉的高温过热器、高温再热器集箱和蒸汽管道[3-4]。

蒸汽管道弯头主要采用热推成型工艺，通过弯头推制机、芯模和加热装置，在推制机的推动下使套在模具上的弯头坯料向前运动，在运动中对坯料加热、扩径并弯曲成型。弯头热推成型工艺所采用的管坯直径小于弯头，坯料的变形过程通过芯模进行控制，内弧处被压缩的金属可以流动补偿到其它因扩径而减薄的部位，从而使弯头的壁厚均匀。某在役超临界机组运行中发生主蒸汽管道开裂泄漏，开裂部位靠近弯头，材质为P91，运行时间32000小时左右，本研究对开裂的主蒸汽管道进行取样，分析了管道直管和弯头的化学成分、微观形貌，同时利用扫描电镜对材质劣化弯头二次析出相的微区形貌和成分进行了分析，为蒸汽管道弯头的加工成型工艺改进提供科学依据。

2样品制备与实验方法

样品材料取自某火电厂600MW超临界机组锅炉主蒸汽管道失效弯头（含直管段、焊接接头、弯管段），弯头规格为Φ419.1mm×60mm，材质为SA335P91，设计压力为25.4MPa，设计温度为576℃，累计运行时间32000小时左右。失效弯头泄漏处位于靠近弯头侧的焊缝热影响区，如图1所示。

图1主蒸汽管道弯头开裂部位

Fig.1crackingpartofmainsteampipeelbow

本文运用金相显微镜、扫描电子显微镜等仪器设备，按照有关技术规范标准要求，对失效弯头样品进行化学成分、微观组织及异常析出相等进行分析，研究其材质劣化原因。

3实验结果及讨论

3.1化学成分分析

从直管和弯头上分别制取粉末样品，并依据GB/T223“钢铁及合金化学分析方法”进行化学成分分析，分析结果见表1。从表1可以看出，直管材料的所有元素含量都符合美国ASME锅炉压力容器规范SA335-P91钢的要求，但是弯头的Nb元素含量只有0.004%，远低于标准要求的0.06%-0.10%，且弯管的Al元素含量为0.042%，高于标准要求的≤0.02%。

表1化学成分分析（wt%）

Nb元素在钢中是强碳化物形成元素[2]，在钢中会形成稳定的碳化物，并以弥散状态析出，均匀分布在钢中。Nb的碳化物在高温时极为稳定，能显著提高钢的持久强度极限和蠕变极限，而且还可改善钢的焊接性能。本次分析的开裂失效弯头Nb含量严重偏低，在实际使用中会导致弯头容易发生蠕变开裂，并且使弯头的焊接性能变差。

Al元素一般是作为炼钢时的脱氧剂加入，但若钢中残余的铝含量过高，将降低钢的持久性强度，增加其缺口敏感性[5]。而且Al还会优先与钢中的N元素结合，所以Al含量过高时会降低钢中固溶的含N量，减少氮化物的析出，减弱了N的强化作用，降低了钢的持久强度。为了保证P91钢的强度，必须控制钢中Al元素的含量，以保证固溶在钢中N的含量。

3.2微观组织分析

从管件的直管段和弯管段分别选取样品，在光学金相显微镜（型号：Observer.A1m）下进行微观组织观察，并依据GB/T6394-2002“金属平均晶粒度测定方法”对弯头组织中原奥氏体晶粒度进行评定。图2为直管金相组织照片，组织均为板条状回火马氏体，未见明显的δ铁素体和残余奥氏体，原奥氏体晶粒度评为5~6级。图3为弯头金相组织照片，组织均为回火马氏体，局部区域马氏体板条位向不明显，但弯头组织中原奥氏体晶粒严重粗大，晶粒度为0~2级。

按照GB5310《高压锅炉用无缝钢管》对10Cr9Mo1VNbN（P91）钢管晶粒度的要求，10Cr9Mo1VNbN（P91）钢的晶粒度不低于4级，且晶粒度最大级别与最小级别差不超过3级。因此，管件的直管段的晶粒度符合GB5310要求，但弯头的晶粒度不符合GB5310要求，晶粒尺寸超标，不合格。

3.3异常析出相分析

对弯头进行了扫描电子显微镜（型号：FEINovaNanoSEM）分析，结果见图4。从图4中可以看出，弯头的基体中出现大量微小异常颗粒，主要为P91在热推加工过程中的异常析出相。采用EDS能谱仪对这些异常析出相进行成分分析，主要元素含量为C、Cr、Fe，见表2。说明在热推成型过程中由于工艺条件的问题，导致弯头在成型过程中析出了碳化物二次相，而在直管段当中没有发现有这些异常析出相。

经过实验分析表明，主蒸汽管道弯头由于含有大量异常析出相，使得弯头的强度和抗应力腐蚀性能都会降低[6-7]，再加上弯头的组织晶粒粗大，在应力和环境因素共同作用下，从靠弯头侧焊缝内壁的正火区和回火区交接部位孕育和萌生初始裂纹，并在使用过程中逐渐扩展直至开裂。而且，弯头母材中存在的大量异常析出相促进了裂纹的发展，裂纹在开裂过程中以这些异常析出相为纽带，持续地快速扩展，直至裂穿整个管壁，发生开裂泄漏。

4结论

通过分析某电厂主蒸汽管道材质，发现弯头的化学成分不合格：（1）Nb元素的含量严重偏低，在实际使用中会导致弯头容易发生蠕变开裂，并且使弯头的焊接性能变差；（2）Al含量过高，减弱了N的强化作用，降低了钢的持久强度。

弯头母材组织的晶粒严重粗大，晶粒度达到0~2级，不符合GB5310中对P91钢管的晶粒度要求，晶粒尺寸不合格。同时，由于工艺条件的问题，造成弯头在热推成型过程中析出了大量碳化物二次相。

由于弯头化学成分的不合格，组织晶粒尺寸的粗大，以及大量异常二次相的析出，这些不利因素的综合作用，导致弯头在使用过程过早地发生开裂失效。

参考文献：

[1]杨勇平，杨志平，徐钢，王宁玲.中国火力发电能耗状况及展望[J].中国电机工程学报.2013，33：1-11.

[2]束国刚，刘江南，石崇哲，王正品，赵彦芬.超临界锅炉用T/P91钢的组织性能与工程应用[M].西安：陕西科学技术出版社，2006.

[3]FrancisJA，MazurW，BhadeshiaH.TypeIVcrackinginferriticpowerplantsteels[J].MaterialsScienceandTechnology，2006，22：1387-1395.

[4]HosseinzadehF，BouchardPJ.MappingmultiplecomponentsoftheresidualstresstensorinalargeP91steelpipegirthweldusingasinglecontourcut[J].ExperimentalMechanics，2013，53：171-181.

[5]LiuJ，StrangwoodM，DavisCL，ParkerJ.Non-destructivecharacterisationofN/AllevelinP91steelsusingelectromagneticsensors[J].MaterialsScienceandTechnology，2015，31（9）：1042-1050.

[6]秦敬芳.P91钢蠕变-疲劳裂纹扩展速率及扩展规律研究[D].上海：华东理工大学，2015.

[7]涂善东，轩福贞，王卫泽.高温蠕变与断裂评价的若干关键问题[J].金属学报，2009，45：781-787.

作者简介：

蒋艳（1982-），女，工程师，主要从事承压特种设备失效分析和寿命评估等研究工作。