未投用锅炉部件珠光体球化原因分析探讨_周黎明.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering60文章编号：1005-006X(2023)04-0060-04未投用锅炉部件珠光体球化原因分析探讨周黎明1向同琼1*颜春松2邹益平1（1.四川省特种设备检验研究院，2.四川川锅锅炉有限责任公司）摘要：对电厂未投用受热面管和集箱进行金相检验，发现部件有不同程度的珠光体球化。选取异常试样进行化学成分分析、力学性能试验和不同区域金相检验，并对部分球化试样重新热处理。发现制造过程中热处理偏差会引起珠光体球化，热加工会加剧球化级别，一般不超过 1 级。建议 A 级锅炉厂材料复验时增加金相检验，出现球化时应判断交货级别。不同球化等级钢材在微观组织和力学性能上存在差异，掌握参数变化对锅炉寿命及安全评估有重要意义。关键词：未投用；锅炉部件；金相检验；珠光体球化；复验中图分类号：TK225文献标识码：BAnalysis of Pearlite Spheroidization on Un-served Boiler ComponentZHOU Li-ming1,XIANG Tong-qiong1,YAN Chun-song2,et al.（1.Sichuan Special Equipment Inspection and Research Institute,2.Sichuan Chuanguo Boiler Co.,Ltd.)Abstract：During the metallographic inspection of un-served boiler steel tubes and headers,it was found that thepressure-containing member appears pearlite spheroidization in different degrees.After sampling the main steel tubeswith abnormal metallographic structure,conduct chemical analysis,mechanical performance test,and metallographicanalysis are carried out.Then,heat treatment is carried out once again with partially spheroidized sample.The analysisresults show that the implementation deviation of heat treatment will bring pearlite spheroidization and the hot procedurewill aggravate the proceeding pearlite spheroidization,which is about one grade additional.Finally,the addedpearlite spheroidization is put forward for A boiler works during the course of receiving.The microstructure andmacro-mechanical properties have vary significantly with the degree of pearlite spheroidization.So it is important tomaster the material attenuation of the senescence process,which will provide useful and targeted improvement to life andsafety assessment of boiler.Key words:un-served;boiler component;metallographic inspection;pearlite spheroidization;re-inspection电站锅炉受热面管和集箱常用的 3 种材料是20G、15CrMoG 和 12Cr1MovG，其显微组织中的珠光体在长期高温作用下会发生球化现象12。珠光体球化过程也就是珠光体中的碳化物由最初的层片状逐渐转变成球状，最终造成材料的力学性能急剧降低34。伴随着锅炉使用过程中超温现象不断加剧，原子扩散速度加快，球化过程就变得愈发明显。珠光体球化后强度降低的原因是球化碳化物对位错运行的阻力小于片状碳化物5。因此，电站锅炉受热面管和集箱用钢材在制造和使用过程中珠光体球化程度是判定钢材可靠性的重要判据之一。珠光体球化常发生在使用过程中，且一般都伴随有使用过程中不同程度的超温情况67。然而，在对 2 台电站锅炉进行投用前常规检验时，发现锅炉受热面钢管和集箱材料的珠光体球化现象十分严重，有球化评定为 2.03.0 级，也有评为 3.54.0级，这对锅炉的安全运行和使用寿命带来一定程度的影响。因此，为确保锅炉安全投用，也为了避免收稿日期：2022-08-09*通讯作者：向同琼周黎明(1988-)，男，硕士，工程师。四川成都，610100该种材料带“病”使用，很有必要对其进行深入研究，在发现材料珠光体球化原因的同时，提出有针对性的措施，为材料的复验及定期检验等环节提供技术参考和支撑。表 1电厂 1 承压部件球化级别序号名称规格材质球化级别1低过低温段32420G2.0 级2右侧连排管28420G2.0 级3汽包脉冲管28420G2.5 级4汽包压力表管16320G2.5 级5屏过管42612Cr1MoVG2.0 级6高过中间水平段38512Cr1MoVG3.0 级表 2电厂 2 承压部件球化级别序号名称规格材质球化级别1二级减温器集箱4264012Cr1MoVG2.0 级2屏过集箱2192512Cr1MoVG3.0 级3集箱管接头515.512Cr1MoVG1.5 级4高过出口集箱2734012Cr1MoVG3.0 级5低过出口集箱2192512Cr1MoVG2.0 级6大屏入口混合集箱2732612Cr1MoVG1.5 级1现场金相检验在对电厂 1 承压部件材质为 20G、12Cr1MoVG的未服役受热面管和安全附件连接管进行金相检验第 4 期周黎明等：未投用锅炉部件珠光体球化原因分析探讨61时，发现部分承压部件的显微组织中珠光体沿晶界呈球粒状分布，珠光体晶粒较细小，组织异常，球化级别分布如表 1 所示，金相组织显示如图 1 所示。对电厂 2 承压部件材质为 12Cr1MoVG 的未服役集箱进行金相检验时也发现同样异常现象，球化级别分布如表 2 所示，金相组织显示如图 2 所示。为了分析珠光体沿晶界呈球粒状分布的形成原因及其危害，对组织中珠光体沿晶界呈球粒状分布的受热面管和集箱取样进行试验分析。a)1 号样 2.0 级、500 b)2 号样 2.0 级、500 c)3 号样 2.5 级、500d)4 号样 2.5 级、500e)5 号样 2.0 级、500 f)6 号样 3.0 级、500图 1电厂 1 承压部件金相组织a)1 号样 2.0 级、500b)2 号样 3.0 级、500c)3 号样 1.5 级、500d)4 号样 3.0 级、500e)5 号样 2.0 级、500f)6 号样 1.5 级、500图 2电厂 2 承压部件金相组织2试验分析方法2.1化学成分分析采用型号为 FOUNDRY-MASTER Xline 的火花直读光谱仪，对显微组织异常的钢管进行化学成分分析。结果表明，2 种钢材的化学成分均符合GB/T5310-20178的技术要求，见表 3。表 3试样化学成分（质量分数，%）元素CSiMnPSCrMoV20G测试值0.19-0.220.23-0.310.39-0.640.0200.011标准0.17-0.230.17-0.370.35-0.650.0250.01512Cr1MoVG测试值0.10-0.130.22-0.280.45-0.620.0150.0051.02-1.090.27-0.310.17-0.25标准0.08-0.150.17-0.370.40-0.700.0250.0100.90-1.200.25-0.350.15-0.302.2力学性能试验依据 GB/T53102017、DL/T 67419999、DL/T 773201610，将 20 号钢、12Cr1MoVG 等钢材各个球化级别与其常温性能的相应数据进行汇总、分析。其中，20 号钢各个球化级别与其常温性能的相应数据的对比见表 4，12Cr1MoVG 钢各个球化级别与其常温性能的相应数据的对比见表 5。表 420 号钢珠光体球化级别与其常温性能相应数据对比球化级别抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 Rel/MPa伸长率&/%显微硬度HV1 级455325351412 级423266401273 级416262431264 级382247431205 级36324642116标准1410-55024524120-160表512Cr1MoVG 珠光体球化级别与其常温性能相应数据对比球化级别抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rel/MPa伸长率&/%显微硬度HV1 级57640929.51752 级55336031.01733 级49533530.51524 级46730533.01345 级40622535.0118标准1470-64025521135-195从表 4、表 5 可以看出，20 号钢和 12Cr1MoVG在珠光体球化达 13 级时，钢材的各项性能数据尚能满足 GB/T5310-2017 规定的限值范围；然而，在珠光体球化达到 4 级时，钢材的抗拉强度则开始显著下降，低于 GB/T5310-2017 规定的限值范围最低值，此时钢材已无法保证设备的正常运行使用。根据 GB/T 228.1-2010、GB/T 229-2007 和 GB/T4340.1-2009，对试样分别进行拉伸试验、冲击试验和硬度检测试验，试验结果如表 6 所示。表 6试样力学性能来源材料试样序号抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rel/MPa断后伸长率&/%显微硬度 HV电厂 120G1#448274421332#435265431283#42125945125标准1410-55024524120-160电厂 2 12Cr1MoVG4#472355261525#499372331716#54639827188标准1470-64025521135-195通过对 20G、12Cr1MoVG 钢材显微异常组织与正常组织进行常温性能对比试验，发现显微异常组织钢管的常温性能基本满足标准要求，但没有规律性。在拉伸过程中，显微异常组织钢管屈服现象不明显，显微硬度变化的趋势和金相组织的变化趋势吻合。2.3金相检验62电站系统工程2023 年第 39 卷取表 2 序号 4 的高过出口集箱（材料为12Cr1MoVG），经过打磨、抛光，采用 4%硝酸酒精溶液腐蚀11，在厚度截面不同区域采用金相显微镜观察材料的金相组织，如图 3 所示。a)距外表面 0.2mm、球化 4.0 级 b)距外表面 0.5mm、球化 2.0 级c)距内表面 5.0mm、球化 2.0 级d)截面、球化 1.0 级图 3电厂 2 高过出口集箱金相组织距外表面打磨 0.2 mm 处金相组织图谱显示与脱碳层类似，对比球化标准照片为 4.0 级；距外表面 0.5 mm 处金相组织图谱显示球化 2.0 级；距内表面 5 mm 处球化 2.0 级。按 DL/T773-2016，试样选取应包括检验部位的整个壁面截面，金相检验显示壁厚截面处球化为 1.0 级。鉴于此，如果金相检验选取试样部位为钢材表面，则检验结果不符合要求，若选取壁厚截面，则检验结果符合标准要求。3结果分析对现场金相组织异常的钢材进行化学成分分析、力学性能试验、试验结果表明钢材的各项性能参数符合 GB/T 5310-2017 的要求。对现场金相组织异常的钢材进行金相检验，发现厚度截面不同区域的金相组织存在显著差异，其中钢材外壁面的球化级别最高。珠光体组织产生的途径常有以下几种：球化热处理工艺可以得到粒状珠光体组织；电厂的 20G、20 号钢管道、管件在工作温度大于等于 450 范围中长期使用后珠光体球化；12Cr1MoVG 钢管道、管件在工作温度 540580 范围中长期使用后的珠光体球化1213。钢管的生产是一种变形、球化退火的过程。轧制过程中工艺控制稍有不当，就可能造成局部和轻重程度不同的珠光体球化现象，这样就要求轧制后进行最终的热处理。钢管厂因节能或终轧控温等因素不能完全按照热处理制度实施，则出厂时就会留下珠光体球化的可能。为研究焊后热处理温度在 AC1 线（723）以上对球化的影响。取表 2 序号 4 高过出口集箱（规格27340、材质 12Cr1MoVG）进行 730 退火，时间为 70 min，相比较于图 2d，从图 4b 可以看出高过出口集箱的球化级别约增加 0.5 级。a)热处理曲线图b)3.54 级、热处理后图 4高过出口集箱 730 退火后金相组织为研究制造过程集箱焊后去应力退火、热校（相当于循环退火）对球化的影响。取表 2 序号 5 低过出口集箱（规格21925、材质 12Cr1MoVG）进行 730 退火、时间为 70 min，800 热校、时间10 min，相比较于图 2e，从图 5b 可以看出低过出口集箱经的球化级别约增加 1.0 级。（）a)热处理曲线图b)3 级、热处理后图 5低过出口集箱退火、热校后金相组织4结论及建议(1)钢管加工过程中，任何一个环节出现疏忽或失误，如工艺纪律执行不严格，导致温度控制不良或保温时间把控不准，最终的热处理制度未严格遵循工艺曲线等，均可能造成一定程度的珠光体球化现象，使终端产品偶尔出现轻微或中度球化现象。(2)制造过程的热加工也会加剧珠光体组织的球化进程，但影响有限，一般不会超过 1 级。(3)建议 A 级锅炉厂在钢管复验时增加金相检验，出现球化时应判断交货级别。在与钢材制造厂签订购买合同时应增加球化的验收条款作为附加条件。(4)建议监检人员在监督检验过程中加强对入场材料验收工作复检力度，避免出现珠光体球化级别的钢材流入制造环节，从源头守住锅炉制造安全生产关卡。(5)建议监管部门在锅炉安全技术规程等14安全技术规范中增加材料复验的相关要求，进一步完善JB/T 3375-2002锅炉用材（下转第66页）66电站系统工程2023 年第 39 卷氯离子残水滴沥造成点蚀腐蚀的示意图。图 4含氯离子残水滴沥致传热管点蚀腐蚀示意图3处理情况3.1堵管准则高加设计方基于传热管最小壁厚给出了“6 号高加壁厚减薄 29%、7 号高加壁厚减薄 26%”应进行堵管的设计准则；美国电力研究院（EPRI）基于热交换器的运行环境、损伤机理、缺陷增长率、传热管材料、设计压力等因素计算的堵管准则一般高于40%壁厚减薄。考虑本次传热管降级为首大修发现，无法确认缺陷扩展速率，无法准确计算堵管准则，参照常规岛热交换器管理经验以及核安全级别更高的蒸汽发生器传热管堵管准则，综合考虑最终确定201 大修期间高加传热管的堵管准则为“对于壁厚损失大于或等于 40%的传热管进行堵管”。3.2对电站性能影响评估根据表 1，壁厚损失大于或等于 40%的传热管数量较大，尤其是#6A 高加，其 467 根传热管占全部 3152 根传热管的 14.8%，再加上其他 3 台高加也需要堵管，因此需要考虑大比例堵管对高加本身和电站热力性能的影响。通过澄清，高加设计方给出了允许最高堵管率为 24%设计要求，即堵管超过24%时必须更换新的加热器；同时由于大修进度紧张，在最终的堵管数量还未明确的情况，要求常规岛设计方基于一个保守的假设堵管率（见表 3）对二回路热力性能进行评估计算，计算结果为对电站出力的影响小于 0.02%。因实际堵管率比假设低，所以实际对机组出力影响更小。大修后机组升至满功率时，经过热力性能实测计算，表明高加经表 3实际堵管后，机组出力基本未受影响。表 3高加堵管对机组出力的影响评估加热器壁厚损失40%数量（全管）实际堵管率用于性能计算的假设堵管率对电站出力影响（基于假设堵管率）#6A46714.82%15%小于 0.02%（机组额定出力 1251MW）#6B2287.23%15%#7A521.65%2%#7B90.29%5%3.3后续跟踪评估后续大修中还需要继续对 201 大修未完成涡流全检的 4 台高加进行全检，并对本次未堵管的伤深小于 40%的传热管进行跟踪、分析壁厚减薄趋势；继续跟踪大修后高加的热力性能、机组出力情况；并基于机组性能情况和更换高加的性价比，规划#6A 高加老化和寿命管理。4结论本文针对某核电机组高压给水加热器在首次大修中，涡流检测发现大量传热管缺陷的实际情况，分别通过缺陷机理矩阵分析法和故障树法进行原因分析，最终原因分析为建安和调试期间存在管道酸洗残留物、或压力试验和调试后残留含氯离子水，残水滴沥向下污染传热管并最终形成了点蚀腐蚀。电站对壁厚损失大于 40%的传热管进行了堵管，经评估大比例堵管后对电站出力影响非常轻微；后续大修还需要继续跟踪未堵管缺陷传热管的壁厚减薄趋势，并基于机组性能和更换高加的性价比，规划#6A 高加的老化和寿命管理。参考文献13002018339GuidanceforPerformingEffectiveDestructiveExaminations of Heat Exchanger Tubing S.23002000544 Heat Exchanger Tube Plugging Calculator S.33002008015 Comprehensive Tube Plugging Guidelines S.（上接第 62 页）料入厂验收规则的修订，降低未投用锅炉珠光体球化钢材的市场投用。参考文献1施震山.浅析锅炉用12Cr1MoVG钢的珠光体球化J.云南化工,2021,48(4):102104.2赵秋洪,姜斌,王佳美.热电厂用20G珠光体钢的球化机理及寿命预测J.金属热处理,2016,41(9):161167.3潘金平,潘柏定,程宏辉,等.20G硬度与球化关系研究及寿命评估新方法J.热加工工艺,2012,41(12):144148.4庄明明,徐崇涛.电站锅炉常用金属材料金相检测及组织分析J.中国特种设备安全,2018,34(3):2327.5潘金平,潘柏定,程宏辉,等.电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究J.压力容器,2012,29(4):1217.6刘炯.电站锅炉主蒸汽管弯头错用碳钢失效分析J.能源研究与管理,2020,(3):5963.7李国政,王振江,张爱庆.特种设备现场金相检验中常见异常组织及原因分析J.中国特种设备安全,2020,36(11):3439,72.8GB/T53102017.高压锅炉用无缝钢管S.9DL/T 6741999.火电厂用20号钢珠光体球化评级标准S.10 DL/T7732016.火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准S.11 陈思思.电站锅炉珠光体铁素体耐热钢薄壁管的现场金相检验方法J.理化检验（物理分册）,2021,57(1):2528.12 戈浩.某电厂在建锅炉主蒸汽管道异常金相组织分析J.中国化工装备,2021,23(6):3234.13 张文良,张建新.锅炉用钢常见金相组织及形成过程分析J.河南科技,2014,(15):6263.14 TSG112020.锅炉安全技术规程S.