基于矫顽力的T91钢老化评价方法

封小亮, 马 括, 刘课秀

(广州特种承压设备检测研究院, 广州 510000)

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51 mm×7 mm(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36 453 h，爆管使电厂出现非计划性停机，给电厂带来经济损失。

图1 失效的过热器管外观

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30 mm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100 mm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Axiovert 200MAT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/T 884—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。

图2 T91钢管在不同老化级别下的显微组织形貌

1.4 维氏硬度试验

依据GB/T 4340.1—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/T 438—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。

表1 钢管不同老化级别部位的矫顽力、维氏硬度的检测结果

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/T 438—2016附录C中的要求。

图3 钢管老化级别与矫顽力、维氏硬度之间的变化关系

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185 HV时，其对应的矫顽力为9.6 A/cm。

DL/T 438—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。

图4 钢管老化级别与矫顽力的关系

A=0.67Hc-2.53(1)

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。