低硬度P91钢弯头的组织与性能分析.pdf

文章编号：2096 2983(2024)02 0081 07DOI:10.13258/ki.nmme.20231018001引文格式:李家瑶，王松，倪燚锋，等低硬度 P91 钢弯头的组织与性能分析J有色金属材料与工程，2024，45（2）：81-87 DOI：10.13258/ki.nmme.20231018001 LI Jiayao,WANG Song,NI Yifeng,et alAnalysis of microstructure and properties of lowhardness P91 steel pipe elbowJNonferrous Metal Materials and Engineering,2024,45（2）：81-87低硬度 P91 钢弯头的组织与性能分析李家瑶，王 松，倪燚锋，段 鹏（上海明华电力科技有限公司,上海 200090）摘要：火力发电通过提高发电机组的蒸汽参数可以获得更高的发电效率，但更高的蒸汽参数给火电厂的安全运营带来新挑战。蒸汽管道弯头是火电机组系统中的事故多发区，其组织性能的研究对于指导管件生产与电厂设备运营管理具有重要意义。某电厂某 1 000 MW 超超临界机组在进行金属监督检验时，发现材质为 P91 钢的管道弯头背弧面局部硬度偏低。通过硬度试验、拉伸试验、金相检测、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分析，对其硬度偏低部位的显微组织与力学性能进行研究。经分析，P91 弯头局部区域硬度偏低的主要原因是组织老化、析出相长大导致其各项强化作用减弱。关键词：P91 钢；弯头；硬度；组织性能中图分类号：TG 142.73 文献标志码：AAnalysis of microstructure and properties of low hardness P91steel pipe elbowLI Jiayao，WANG Song，NI Yifeng，DUAN Peng(Shanghai Minghua Electric Power Science&Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)Abstract:Thermal power generation can achieve higher power generation efficiency by improving thesteam parameters of the generator units,but the higher steam parameter also brings new challenges tothe safe operation of thermal power plants.Cracking accident occurs frequently at the elbow of steampipe in thermal power units.The study on microstructure and properties of the elbow is greatsignificance for guiding the pipe production and the operation of the power plant equipment.It wasfound that the local hardness value of a P91 pipe elbow was low during the inspection of a 1 000 MWultra-supercritical boiler.The microstructure and mechanical properties of the part with low hardnessvalues was studied by hardness tests,tensile tests,metallographic tests,scanning electron microscopetests and transmission electron microscope tests,respectively.The results show that the low hardness ofP91 elbow is caused by the degradation of microstructure and coarsening of precipitated phases,whichweakens its various strengthening effects.有 色 金 属 材 料 与 工 程第 45 卷 第 2 期NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERINGVol.45 No.2 2024收稿日期：20231018基金项目：上海明华电力科技有限公司资助项目（33002599230214）第一作者：李家瑶（1988），男，工程师。研究方向：电站金属材料。E-mail：Keywords:P91 steel;elbow;hardness;microstructure and properties P91 钢是在 9Cr-1Mo 钢基础上添加 V、Nb、N 等元素开发出来的马氏体耐热钢1，在GB/T53102019高压锅炉用无缝钢管中牌号为 10Cr9Mo1VNbN，具有良好高温性能，被广泛应用于电站锅炉设备中。按照美国机械工程师学会（American Society ofMechanical Engineers，ASME）标准 SA335/SA335M 和我国电力行业标准 DL/T 4382016火力发电厂金属技术监督规程中要求，P91 钢管件的布氏硬度应控制在 180250 之间。近年来，P91 钢组件在服役过程中发现很多硬度明显偏低的现象，研究其组织性能对保障机组的安全运行有重要意义。Masuyama 等2和 Kim 等3报道了 P91 钢试样的硬度 和 其 持 久 性 能 的 降 低 有 关。Sawada 等4和Endo 等5的研究显示 P91 钢硬度与试样马氏体板条和位错密度有关。大量研究表明6-8，时效、持久运行过程中 P91 钢硬度降低时伴随着析出相的聚集与粗化。此外，P91 钢塑性成形、热处理也会导致硬度偏低9-12。本文对某电厂某 1 000 MW 超超临界机组 P91钢弯头服役过程中的硬度偏低部位进行取样，研究其微观组织和力学性能，并分析其硬度偏低的原因。1 试验材料及方法某电厂某 1 000 MW 超超临界机组在进行金属监督检验时，发现一级再热器出口至二级再热器进口连接管弯头硬度偏低，扩大检查后发现背弧面存在硬度偏低的区域。本研究对该弯头进行割管处理并进行进一步的组织与性能分析。如图 1（a）所示，弯头标称材质为 SA335-P91，规格为 610.0 mm25.4 mm，虚线范围（约 470.0 mm280.0 mm）内为现场检测硬度偏低部位。如图 1（a）所示在割管弯头上沿截面 A1A4 截取两个厚度20 mm 的环状试样 A1-A2 和 A3-A4，分别记为环1 和环 2，环状试样如图 1（b）所示。再将两个环状试样分别平均截为 9 小段，小段试样如图 1（c）所示。按从上往下的顺序依次编号，记为 1-11-9，2-12-9（编号 1-1 表示环 1 上数第 1 段，以此类推）。按照GB/T 231.1-2018金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分：试验方法使用 Wilson UH250 型布洛维台式硬度计对试样进行布氏硬度测定；按照 GB/T 13 2982015金属显微组织检验方法使用光学显微镜对试样进行金相显微组织观察；通过 FEI Quanta450 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜（scanning electronmicroscope，SEM）对试样的进行微观组织结构观察及能谱仪（energy dispersive spectrometer，EDS）进行成分分析；透射电子显微镜（transmission electronmicroscope，TEM）对析出相进行观察。按照 GB/T228.12010金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法进行常温拉伸试验。1上下49A4A2A1A3(a)割管弯头(b)割管弯头上截取的环状试样(c)环状试样上截取的小段试样 图 1 低硬度弯头割管及取样示意图Fig.1 Schematic diagrams of cutting and sampling for lowhardness elbow 2 试验结果 2.1 力学性能测试 2.1.1 硬度检测按图 1 所示取样，针对现场检测硬度偏低区域及周边位置进行布氏硬度测试，检测试样编号为 1-4、1-5、2-3、2-4、2-5、2-6，硬度测试标尺为HBW2.5 mm/82有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷187.5 kgf/10s，测试位置为 A2 截面与 A4 截面，结果如表 1 所示。表 1 硬度检测结果Tab.1 Hardness of the samples 试样编号检测区域布氏硬度近外壁中径近内壁1-4中部1951992001-5中部1901931932-3上部201202202中部199200201下部1651641672-4上部160163164中部159159159下部1541571582-5上部155158157中部157157157下部1571611622-6上部159162169中部180189193下部192194195 根据 DL/T 4382016火力发电厂金属技术监督规程（附录 C 电站常用金属材料硬度值），P91 管件（弯头）的布氏硬度控制范围为 180250。布氏硬度测试检测结果显示各个试样近外壁中径近内壁位置硬度接近，其中：试样 1-4、1-5 硬度满足DL/T 4382016 的要求；试样 2-4、2-5 硬度低于该标准要求的下限值；试样 2-3、2-6 则处于硬度变化过渡区域，试样 2-3 上、中部和试样 2-6 中、下部硬度满足标准要求而试样 2-3 下部和试样 2-6 上部硬度低于标准要求下限。2.1.2 拉伸试验在弯头硬度偏低位置，即图 1（a）中 A4 截面左侧区域的外壁、中间、内壁，截取直径为 5 mm 的棒状标准拉伸试样共 8 根进行常温拉伸试验，拉伸试样示意图如图 2 所示。拉伸试验结果如表 2 所示。根据 GB/T53102017高压锅炉用无缝钢管对P91 拉伸性能的要求，其抗拉强度585 MPa，屈服强度415 MPa，纵向伸长率20%。常温拉伸试验结果表明，该弯头硬度偏低位置的屈服强度与抗拉强度均明显低于标准要求。35.0R=4.55.075.0单位：mm17.08.0 图 2 拉伸试样示意图Fig.2 Schematic diagram of tensile specimen 表 2 拉伸试验结果Tab.2 Tensile results of the samples 试样编号屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%断面收缩率/%外壁133559434.579.0228955035.579.0328854635.579.0中间129254835.078.0228754536.078.0内壁129455436.579.0228254135.079.0330155335.079.0 2.2 显微组织检测 2.2.1 金相检验根据布氏硬度检测结果，选取试样 2-3 的 A4 截面进行金相组织检验，使用氯化铁盐酸水溶液作为浸蚀剂，结果如图 3 所示。由金相检测结果可以看出，试样 2-3 上部和中部硬度正常位置的金相组织为回火马氏体，马氏体板条清晰可见，板条位相轻微分散，板条界及板条束内有细小弥散的碳化物颗粒（第二相）析出，未发生明显老化；根据 DL/T22192021火力发电厂用 10Cr9Mo1VNbN 钢显微组织老化评级评级为 1.5 级老化。试样 2-3 下部硬度偏低位置的金相组织中马氏体仅残留少量，马第 2 期李家瑶，等：低硬度 P91 钢弯头的组织与性能分析83氏体板条位相严重分散，第二相尺寸明显粗化，为典 型 的 马 氏 体 老 化 组 织；根 据 DL/T 2219 2021 评级为 4 级老化。2.2.2 SEM 检测在 SEM 下对试样 2-3 的组织进行观察，其形貌如图 4 所示。从图 4 可以看出，试样在晶界和晶内均有大量的颗粒状和块状的析出相，部分析出相在晶界处聚集形成短链状。用 EDS 进行成分分析，显示析出相中的 Cr 含量远高于基底，结果如图 5 所示。根据文献 13-14 推测析出相为富 Cr 的 M23C6。对比上部、中部与下部的图可知，硬度偏低位置（下部）处的析出相出现明显的长大粗化，与金相检测结果一致。2.2.3 TEM 检测在 TEM 下对试样 2-3 中的析出相进行观察，如图 6 所示。根据选区电子衍射图案可以标定出析出相主要为面心立方（face centered cubic，FCC）结构的 M23C6。3 分析与讨论P91 钢在较高温度和较长时间作用下具有较高的组织稳定性，这是由于大量固溶于基体中的合金元素产生的固溶强化、高密度的位错板条马氏体产生的位错强化以及细小弥散的析出相产生的第二相强化共同作用的结果15。通过以上试验结果可(a)试样 2-3 上部50 m10 m50 m10 m50 m10 m(b)试样 2-3 中部(c)试样 2-3 下部 图 3 金相检测形貌Fig.3 Metallographic microstructures of the samples84有 色 金 属 材 料 与 工 程2024 年 第 45 卷知：P91 弯头服役后，硬度正常位置材料未发生明显老化，各项力学性能指标仍满足标准要求；而硬度偏低位置组织老化现象明显，其强度（屈服强度与抗拉强度）已低于标准要求下限。本文中 P91 弯头背弧面局部区域硬度偏低，显微组织检测结果显示：硬度偏低位置马氏体仅残留少量，马氏体板条位相严重分散，使得位错强化作用减弱；同时，硬度偏低位置析出相长大粗化，导致第二相强化作用减弱；合金元素从基体析出也让固溶强化作用减弱。这是最终导致其硬度、屈服强度和抗拉强度等力学性能下降的主要原因。实际检测中硬度偏低位置也多为弯头的背弧面16-19，硬度沿壁厚方向基本保持一致，低硬度区域的异常与服役过程无关，应为弯头制造过程工艺不当造成的。实际生产中，弯头外壁的温度很难保持恒定，各部位变形量也不一样（其中背弧面部分拉(a)试样 2-3 上部4 m(b)试样 2-3 中部4 m(c)试样 2-3 下部4 m 图 4 SEM 检测结果Fig.4 SEM photographs of the samples SE10.2 mSE10.5 m642FeKaFeKbCrKaV KbV KaFeLaO KaMoLaNbLaSiKaC KaCrKb51438525712801.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.0640CK5.510.940.780.603.310.7016.9671.2020.84FeKaFeKbCrKaV KbV KaFeLaO KaMoLaNbLaSiKaC KaCrKb2.661.270.291.570.6314.8257.92OK元素 质量分数/%原子分数/%SiKNbLMoLVKCrKFeK51238425612801.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.0(a)基底 SEM 图(b)基底:“+”处的 EDS能量/keV能量/keV(c)析出相 SEM 图(d)析出相 EDS 图CK4.770.571.081.162.240.478.0281.6918.631.661.800.591.090.437.2368.57OKSiKNbLMoLVKCrKFeK元素 质量分数/%原子分数/%强度(a.u.)强度(a.u.)第 2 期李家瑶，等：低硬度 P91 钢弯头的组织与性能分析85伸塑性变形量最大），使得整个弯头尤其是背弧面位置呈现硬度及组织不均匀的状态，最终导致在长期服役后弯头背弧面局部区域出现组织老化、硬度偏低的现象。4 结论（1）P91 弯头现场硬度偏低区域组织明显老化，取样部位硬度、强度等各项力学性能指标均不能达到标准要求，综合力学性能较差，将严重影响机组的安全运行。（2）根据各项检测结果可知 P91 钢管道的硬度能很好地反映材料综合力学性能，现场进行的金相、硬度检验对电厂金属监督工作有重要作用。（3）P91 钢弯头背弧面局部区域硬度偏低的主要原因是组织老化、析出相长大导致的各项强化作用（位错强化、第二项强化以及固溶强化）减弱。其根本原因可能与弯头的生产过程有关，因此其出厂检验必须严格把关。参考文献：JONES W B,HILLS C R,POLONIS D H.Microstructural evolution of modified 9Cr-1Mo steelJ.Metallurgical Transactions A,1991,22(5):10491058.1 MASUYAMA F,NISHIMURA N.Phase transformationand properties of Gr.91 at around criticaltemperatureC/ASME/JSME 2004 Pressure Vessels andPiping Conference.San Diego:ASME,2004:8591.2 KIM J T,LEE Y S,KONG B O,et al.Thermal historiescausing low hardness and the minimum hardnessrequirement in a MOD.9Cr1Mo steel forboilerC/ASME 2005 Pressure Vessels and PipingConference.Denver:ASME,2005:123128.3 SAWADA K,MIYAHARA K,KUSHIMA H,et al.Contribution of microstructural factors to hardnesschange during creep exposure in mod.9Cr-1Mo 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