长期高温服役电站主蒸汽管道的剩余寿命评估

陈兴阳,周 阳,宋俊俊,王锋淮,谢浩平,马琳琳

(1.浙江省特种设备科学研究院,杭州 310020；2.浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室，杭州 310020)

12Cr1MoV钢的生产工艺成熟，各项力学性能指标稳定，价格较低，具有良好的焊接性能、抗氧化性能和组织热稳定性，是制造高温、高压管道和受热面管等承压部件的首选材料[1-5]。12Cr1MoV钢正常供货状态一般为正火+回火，正常组织为铁素体+珠光体或铁素体+贝氏体。在500～580 ℃的服役温度下长期运行，12Cr1MoV钢组织中的珠光体会发生球化现象，使材料逐渐劣化，甚至失效。在长期高温服役的过程中，该材料不可避免地会发生劣化，影响电站锅炉等高温承压设备的安全、可靠运行。目前，相关研究大多集中在炉管的开裂原因分析、蠕变性能研究和剩余寿命评估等方面[6-8]，而对材料在长期高温服役后的组织转变，以及该转变对管道材料力学性能和剩余寿命影响的研究较少。笔者对长期高温服役后电站主蒸汽管道的显微组织进行分析，并研究了管道的显微组织、力学性能与炉管剩余寿命的关系，为预防管道出现劣化提供理论依据。

1 试验材料与方法

试验材料取自某公司电站主蒸汽管道的一段，该管道在定期检验过程中发现材料珠光体球化严重，现场金相检验发现材料的珠光体球化级别达到5级，该管道参数为：管径为175 mm，壁厚为22 mm，材料为12Cr1MoV钢，设计温度为557.75 ℃，设计压力为11.5 MPa，服役温度为540 ℃，服役压力为10.5 MPa，累计运行18 a。对割管材料进行取样，并分别进行金相检验、力学性能测试和高温蠕变持久试验。

分别在蒸汽管道母材、焊缝附近位置取金相检验试样，取样位置如图1所示。对所取试样进行打磨、抛光后，用4%(体积分数)硝酸乙醇熔液进行腐蚀，利用光学显微镜分别观察管道外壁、中间层、内壁、焊缝区域的显微组织。在管道母材的纵向取样，用Instron 8801型万能疲劳试验机对试样进行室温(20.1 ℃)和高温(540 ℃)拉伸试验，每组试验取2个试样。在管道母材的纵向取样，用高温蠕变持久试验机测试试样的高温蠕变持久强度，测试应力为120～220 MPa，测试温度为520～580 ℃，温度间隔为20 ℃。

图1 金相检验试样取样位置示意

2 试验结果与分析

2.1 金相检验

主蒸汽管道的显微组织形貌如图2所示，根据DLT 773—2016 《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》和GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》，对主蒸汽管道的珠光体球化等级和晶粒度进行评级。发现该蒸汽管道已经严重球化，球化等级为5级，晶粒度等级为6.5级，显微组织为铁素体+球化体；该蒸汽管道内壁、中间层、外壁组织的球化程度、晶粒度等级均一致。

图2 主蒸汽管道的显微组织形貌

2.2 拉伸试验

室温拉伸试验结果如表1所示，可知在室温环境下，该管道母材的屈服强度为266～348 MPa，抗拉强度为476～563 MPa，断后伸长率为31.5%～32.5%，满足GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》的规定，但屈服强度较低且接近标准规定下限，说明球化对材料的室温力学性能有较大影响[9-11]。

表1 室温拉伸试验结果

高温拉伸试验结果如表2所示，可知在高温环境下，管道的屈服强度为196～201 MPa，抗拉强度为265～280 MPa，断后伸长率为28.5%～37.0%，满足GB/T 5310—2017的规定，但屈服强度较低且接近标准规定下限，说明球化对材料的高温力学性能有较大影响，原因是球化珠光体导致材料的屈服强度降低，在热力学驱动力的作用下，球化珠光体的片层间距增大，晶粒尺寸变大，晶界总长度减小，晶界强化作用减弱；碳化物的析出导致固溶强化效果减弱，不断聚集长大的碳化物引起局部应力集中，最终导致材料的高温抗拉强度、屈服强度降低[11-13]。

表2 高温拉伸试验结果

3 管道剩余寿命计算

蒸汽管道直管段的内压应力(σeq)和环向应力(σθ)的计算方法分别如式(1)～(2)所示。

(1)

(2)

式中：p为管道运行压力；D0为蒸汽管道外径；Y为温度对壁厚的修正系数(Y=0.7)；S为蒸汽管道壁厚；α为附加壁厚(α=2 mm)。

蒸汽管道计算应力取蒸汽管道内压应力和环向应力的最大值，因此蒸汽管道计算应力取σθ。在预测剩余寿命时，考虑到蒸汽管道运行的波动变化以及管道厚度不均匀等因素，管道的计算应力必须给定一个合适的安全系数(2.0)，因此，该蒸汽管道的计算应力为82.2 MPa。

根据高温持久强度性能测试数据分析，采用L-M参数[p(σ)]方程建立寿命评估模型，计算该蒸汽管道的剩余寿命，该方法是已普遍应用且相对可靠的剩余寿命评估方法。12Cr1MoV钢的L-M参数方程如式(3)所示。

p(σ)=T(C+lgtr)

(3)

式中：T为试验温度；C为L-M常数(C=22)；tr为断裂时间。

表3为不同试验应力(σ)下主蒸汽管道的断裂时间，通过试验应力-试验温度-断裂时间之间的关系得到p(σ)-σ拟合曲线(见图3)。

表3 不同试验应力下主蒸汽管道的断裂时间 h

图3中4个方框数据点呈线性关系，说明12Cr1MoV钢材料的高温性能比较稳定；圆点为计算应力(82.2 MPa)下拟合线中对应的数据点，该点对应的p(σ)=21 619.0。将p(σ)=21 619.0，T=813 K(蒸汽管道的工作温度)代入式(3)，可得tr=39 051 h，约为4.45 a。

图3 12Cr1MoV钢材料的p(σ)-σ拟合曲线

4 结论与建议

4.1 结论

(1) 长期高温服役后，该蒸汽管道材料组织已发生严重球化，球化等级为5级，组织为铁素体+碳化物，蒸汽管道内壁、中间层、外壁组织的球化程度、晶粒度等级均一致。

(2) 该蒸汽管道室温、高温力学性能均符合标准规定，但是室温、高温屈服强度均较低，且接近标准规定下限值，原因是晶粒尺寸变大，晶界总长度减小，晶界强化作用减弱，碳化物的析出导致固溶强化效果减弱，最终导致材料的高温抗拉强度、高温屈服强度大幅降低。

(3) 在工作压力为10.5 MPa(计算应力为82.2 MPa)，工作温度为540 ℃的条件下，该蒸汽管道的剩余寿命约为4.45 a。

4.2 建议

建议该蒸汽管道在4 a内进行更换，在运行期间，加强日常检查工作，以避免该蒸汽管道与其他管线碰撞，产生额外应力；严格控制工作温度和工作压力，对该蒸汽管道进行蠕变状态监测、金相检验跟踪等工作。