李晓威, 成 雷, 白学刚, 杜晨阳

(中国特种设备检测研究院, 北京 100029)

在某蒸汽管道的检修过程中，发现其母材存在5级球化。为了查明其球化原因并分析其力学性能，笔者采用金相检验、硬度测试、高温拉伸试验及常温冲击试验等方法对该球化管道进行分析，用管道寿命评价方法对球化管道进行综合评价，以判定管道是否可继续使用。

在该蒸汽管道上分别截取1#，2#管道，1#管道的投入使用日期为1994年，2#管道的投入使用日期为2000年，材料均为P11钢。

1 理化检验

1.1 金相检验

分别截取1#管道及2#管道上的一部分，沿厚度方向进行金相检验。将截面6等分后，取7个点进行观察，以了解沿厚度方向球化等级的变化，1#管道的显微组织如图1所示，其中近外壁和近内壁均约3 mm。

由图1可知，在近外壁和近内壁处，几乎已经看不到黑色的珠光体组织，整体球化级别达到了5级，而中间部分的珠光体区域已显著分散，但是仍保留了原有的区域形态，边界线变得模糊，晶界上颗粒状的碳化物增多、增大，且呈小球状分布。

图1 1#管道的显微组织

经过金相检验，可知2#管道的显微组织与1#管道类似，只是中间部分球化级别稍微高于1#管道。1#，2#管道的球化等级如表1所示。

由表1可知，两个试样均未出现整体球化为5级的情况，只是在近内、外壁存在球化5级的情况，中间部分的球化级别要低于近内、外壁的球化级别。

表1 1#，2#管道的球化等级 级

1.2 硬度测试

沿厚度方向分别截取1#，2#管道的一部分，分别取3个点进行硬度测试，测试结果如表2所示。由表2可知，2#管道的硬度要小于1#管道的硬度，可见随着球化级别的升高，硬度降低。

表2 1#，2#管道的硬度测试结果 HB

根据DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》附录C，P11钢的硬度为130～197 HB，所以1#管道的硬度满足要求，2#管道的硬度偏低。

1.3 高温拉伸试验

为了掌握球化管道高温力学性能下降的情况，对1#，2#管道进行高温(温度为520 ℃)拉伸试验，参照标准GB/T 228.2—2015 《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》进行试验,保温20 min，结果如表3所示。

表3 1#，2#管道的高温拉伸试验结果

由表3可知：2#管道的屈服强度、抗拉强度以及断后伸长率都要小于1#管道。为了确定高温拉伸试验结果是否满足要求，查阅ASME标准,采用插值法求得P11钢在520 ℃时的屈服强度下限为133 MPa，抗拉强度为353.4 MPa。对比表3中的数据，可知2#管道的屈服强度满足要求，而抗拉强度都有不同程度的下降，其中1#管道的抗拉强度下降约11%，2#管道的抗拉强度下降约28%。

1.4 常温冲击试验

采用夏比缺口冲击试验方法进行常温冲击试验，在1#，2#管道上分别截取规格(长×宽×高)为10 mm×10 mm×55 mm的试样，试样加工V型缺口，温度为20 ℃，结果如表4所示。

表4 1#，2#管道的常温冲击试验结果 J

由表4可知：2#管道的冲击吸收能量要远大于1#管道，说明2#管道的冲击韧性要好于1#管道，这也说明随着球化级别的上升，其抗拉强度和屈服强度下降，韧塑性上升。

2 管道寿命评价

球化损伤机理导致的主要失效模式包括以下两个方面：① 球化损伤引起的材料瞬时高温强度下降导致的短期塑性断裂失效；② 球化损伤引起的材料持久强度下降导致的长期塑性断裂失效。

针对材料瞬时高温强度下降导致的短期塑性断裂失效，采用有限元分析方法确定管道系统在操作载荷作用下的规范应力(轴力)、含损伤材料的性能，以及基于合于使用原则确认操作载荷作用下各管道上的规范应力是否超过含损伤材料的许用应力。

针对材料持久强度下降导致的长期塑性断裂失效，采用有限元分析方法确定管道系统在持续载荷作用下的规范应力(轴力)，并通过相应计算公式确定出含损伤结构的剩余寿命。

2.1 管道应力计算结果

对管道建模并进行有限元分析，根据其结构特点，管道壁厚按设计壁厚进行建模。载荷工况分别考虑操作载荷作用条件和持续载荷作用条件，参数选取时考虑保温层、管道、介质质量的影响，同时根据管道现场实际工作情况以及设计图中的标注内容，确定整个管道上各处的支吊架型式，管道应力计算结果如表5所示。

表5 管道应力计算结果 MPa

2.2 基于短期失效模式的管道寿命评价

对于球化损伤引起的材料高温强度下降导致的短期塑性断裂失效，其主要发生的是瞬时失效。由于操作载荷的高温瞬时作用，基于合于使用的原则，要求该时刻的应力水平小于含损伤材料的高温抗拉强度，因此只需将割管的高温拉伸试验数据与管道应力计算得到的操作载荷管道轴向应力进行对比即可。

1#管道高温拉伸试验的屈服强度均高于管道应力分析所得的操作载荷管道轴向应力，所以1#管道不会发生短期失效。同理可得，2#管道也不会发生短期失效。

2.3 基于长期失效模式的管道寿命评价

对于珠光体球化损伤引起的材料高温持久强度下降导致的长期塑性断裂失效，其存在剩余寿命的问题。

P11钢为1.25Cr～0.5Mo低合金铬钼钢，目前并没有其含珠光体条件下的高温持久强度数据，在DL/T 787—2001 《火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》中可以找到国产材料15CrMo钢在550 ℃时的各级损伤条件下的测试数据[1]，与国产材料15CrMo钢相比，进口材料P11钢的Cr元素含量较高，相同损伤条件下P11钢应具有更高的高温持久数据，所以可以保守地选用DL/T 787—2001标准中15CrMo钢的数据进行计算。

首先，杨瑞成[1-3]等研究了15CrMo钢在不同应力水平下确定出的Larson-Miller公式中参数P的回归公式，即

P=28 384.06-4 136.19lgσ

(1)

式中：P为温度-时间综合参数；σ为应力。

将DL/T 787—2001附录E中15CrMo钢在550 ℃时各级损伤条件下的高温持久强度作为应力，代入回归公式中，确定不同损伤级别下的参数P。

Larson-Miller公式中参数P与温度T、持久寿命Tr和参数C的关系式为

P=T(C+lgTr)

(2)

式中：T为823 K；Tr取105h。

从而分别确定不同损伤级别下的参数C。

最后，根据管道预期使用的温度、持续载荷作用下有限元分析得到的规范应力和管道珠光体损伤等级，先根据回归公式(1)计算出持续载荷作用下有限元分析得到的规范应力作用下的参数P，再根据公式(2)进行反算求出Tr。

依据上述计算结果，并考虑不确定因素的影响，对剩余寿命取2倍的安全系数，确定出最后各管道的可运行时间，最大可运行时间取为10 a和上述计算结果间的最小值。1#，2#管道寿命评价结果如表6所示。

表6 1#，2#管道寿命评价结果

3 综合分析

3.1 管道5级球化原因

根据现场检验的实际情况发现，主要在管道母材上发生5级球化，这可能是管道热处理造成的。在制造管道的过程中，热处理为内外同时加热的方式，即内部采用加热棒，外部采用加热片，相较于炉内整体加热方式，这种加热方式很难保证管道内部受热均匀。由于管道壁厚较大，若想中部温度达到热处理要求的温度，内外表面加热温度就要高于热处理要求的温度，即内外壁的受热温度要高于中部区域，故在热处理时，管道内外壁已产生表面球化。

3.2 球化损伤的检验处理

对于检验中发现的5级球化损伤管道，通常会判定为不合格，而无法继续使用，但是对于上述管道及日常检验中遇到的情况，管道存在表面(内外)球化级别高于内部球化级别的情况，即非整体5级球化。对这部分管道，需结合球化损伤程度及必要的试验数据来确定是否能满足继续使用的要求。对高温管道的球化损伤判定可从以下几个方面入手。

(1) 增加管道出厂、入库的金相检验抽查，热处理可能会造成管件出厂时的表面5级球化现象。

(2) 增加高温管道的定期金相检验抽查次数，为管道的球化损伤进程提供数据支撑，也可为高温管线的寿命预测提供数据支持。

(3) 检验中发现5级球化时，可以先不急于判废，采用将表面打磨到一定深度后进行金相复验的方法来测定5级球化损伤的深度，分析材料横截面球化级别的变化情况。

4 结语

上述两条管道均可以继续使用，但是鉴于管道投入使用时间较长，建议适当缩短检验周期，同时加强管道的日常管理维护。