許其華

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海200540)

超高壓蒸汽管道為石油化工企業(yè)的高溫部件之一，在長期運行過程中，由于金屬組織變化和蠕變的發(fā)展，其組織和性能會逐漸“劣化”，影響整個裝置的安全運行。某石化公司烯烴裝置開工鍋爐超高壓蒸汽管道已服役28年，累計運行時間已超過200 000 h，管道的材質為STPA23，規(guī)格為?273 mm×28 mm，操作壓力11.9 MPa，操作溫度520 ℃。隨著高溫服役時間的不斷增加，管道材料面臨材質劣化的問題，對機組的安全運行產生不利影響。通過對該蒸汽管道的取樣分析和試驗研究，判斷其材質損傷程度，并對其剩余壽命進行預測。

對管道材料進行了取樣，主要做了材料化學成分分析、材料常溫和高溫性能試驗、材料蠕變性能試驗、材料金相組織分析以及材料的高溫持久性能試驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結果采用外推法核算材料的剩余壽命。

1 化學成分分析和拉伸試驗

對蒸汽管道母材取樣，分析其化學成分(質量分數(shù))，結果見表1。元素化學成分基本符合JIS G 3458—2005標準對STPA23的要求。

表1 化學成分分析結果 %

按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，分別在室溫和520 ℃下進行了管線材料的拉伸試驗,測試設備為INSTRON-8032型電液伺服萬能材料試驗機，試驗結果見表2。從表2中可以看出：室溫下材料的強度和塑性指標均滿足JIS G 3458—2005標準的要求。520 ℃時的拉伸性能與室溫時相比，屈服強度(Rm)和抗拉強度(Rp0.2)下降較多，而斷后伸長率(A)和斷面收縮率(Z)有所提高。這種變化基本符合規(guī)律，一般來說隨著溫度的升高，材料軟化，強度下降，而相應的塑性增加。因此，材料的拉伸試驗結果說明該蒸汽管道材料經過長期高溫運行后材料的拉伸性能指標仍基本滿足使用要求。

表2 室溫及520 ℃短時拉伸試驗結果

2 沖擊試驗

材料STPA23屬于常用的珠光體耐熱鋼(1.25Cr-0.5Mo)，其使用溫度可達500～550 ℃。而Cr-Mo鋼長期在520 ℃下運行，必然會帶來珠光體球化等材質損傷問題，影響材料的機械性能，危及管道的安全運行。沖擊試驗可以用來判定材料服役后是否發(fā)生了脆化并確定具體的脆化程度。一般選取不同溫度進行沖擊試驗，然后根據(jù)試驗結果做溫度-沖擊功圖和溫度-斷口纖維斷面率圖，在圖中得到54 J沖擊功對應溫度值(VTr5)、纖維斷面率為50%時所對應的等溫脆性轉變溫度(FATT)等關鍵指標。根據(jù)這些指標就可以掌握材料使用前后韌脆性轉變溫度變化情況及脆化程度。沖擊試驗按GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行。圖1～2為相應的轉變溫度曲線和斷口纖維斷面率曲線。根據(jù)圖1和圖2可以得到取樣蒸汽管道材料母材的沖擊性能指標(見表3)。

圖1 母材轉變溫度曲線

圖2 母材斷口纖維斷面率曲線

表3 取樣材料沖擊性能指標 ℃

從圖1～2和表3中可以看到：

(1)蒸汽管道材料的韌脆性轉變溫度較高，尤其是FATT值較高；母材的FATT為45 ℃，說明該蒸汽管道經過長期高溫運行后材料已明顯變脆。

(2)材料的韌脆性轉變溫度升高到室溫以上，會增加蒸汽管道在開停工時發(fā)生脆性開裂的危險，所以在裝置開停工時應加強檢查，在停車檢修時應注意避免管道遭受撞擊和錘擊等沖擊載荷。

3 金相組織檢查

長期服役后管道材料的機械性能取決于材料的化學成分、組織、溫度以及應力的變化。一方面，服役過程中的各種因素損傷都將在微觀組織上顯示，微觀組織結構的變化反映了材料損傷的程度；另一方面，微觀組織又決定了材料的機械性能。因此，金相組織檢查的目的是考察長期高溫服役后材料的顯微組織的變化情況，檢查碳化物的析出和球化情況，并檢查是否有蠕變空洞甚至微裂紋的存在。

材料的金相組織如圖3(放大500倍)所示。由圖3可知：母材組織為鐵素體+珠光體+碳化物，鐵素體晶體內有大量彌散碳化物析出，珠光體區(qū)域內的碳化物已顯著分散，碳化物已全部成小球狀，珠光體區(qū)域形態(tài)仍然保持，珠光體球化程度為中度球化。未發(fā)現(xiàn)金相組織存在明顯的蠕變空洞。

(a)近內壁

對取樣材料截面進行了硬度測試，中部區(qū)域硬度值為HB100左右，靠近外表面和內表面部分硬度值為HB90左右，材料硬度值偏低，是材料球化損傷所致。

4 高溫持久強度試驗

經過對取樣材料進行520 ℃高溫持久強度試驗，取得了一系列在高溫下的材料應力值與斷裂時間的相關值(見表4)，更加準確、客觀地反映了材料在高溫環(huán)境下的相關性能劣化與使用時間的相關性。這說明材料的高溫損傷中服役溫度和時間是正相關的。

表4 高溫持久強度試驗結果

將表4的數(shù)據(jù)繪制到雙對數(shù)坐標圖中，采用等溫線法繪制擬合曲線，擬合所得的方程為：

σ520=182.28t-0.055

式中，t為持久時間。

擬合所得的曲線如圖4所示。

圖4 以等溫線法表示的持久強度曲線

用這種方法外推得到材料的高溫持久強度見表5。

表5 材料的高溫持久強度

由表5可見：該材料520 ℃的高溫持久強度σ520(105)為97 MPa。

剩余壽命估算按照DL/T 940—2005《火力發(fā)電廠蒸汽管道壽命評估技術導則》中式(7)進行：

5 結論

(1)化學成分分析表明，超高壓蒸汽管道材料牌號為STPA23，而常溫和高溫(520 ℃)拉伸試驗結果說明高溫服役200 000 h后，材料常溫強度指標及相關塑性指標仍符合標準要求。

(2)沖擊試驗表明，管道材料經長期高溫服役后已明顯變脆，母材的韌脆性轉變溫度已升高到室溫以上(FATT為45 ℃)，說明材料脆化較嚴重。

(3)金相組織檢查表明，母材組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體球化程度為中度球化，未發(fā)現(xiàn)金相組織存在明顯的蠕變空洞。

(4)根據(jù)蒸汽管道材料的520 ℃持久強度試驗數(shù)據(jù)，由等溫線外推法估算的超高壓蒸汽管道剩余壽命為41 000 h。

(5)由于超溫會嚴重降低高溫管線的安全使用壽命，應保證此類超高壓蒸汽管道在設計工況下運行，且要加強對此類超高壓蒸汽管道焊縫及管件組織的現(xiàn)場檢驗檢測工作，重點為變徑管小端焊縫和三通支管焊縫；其次為變徑管母體及大端焊縫、三通母體等，對達到嚴重球化的焊縫和管件進行監(jiān)控使用并擇機更換。

(6)此類超高壓蒸汽管道經長期高溫運行后材質受到損傷，如強度下降、韌脆性轉變溫度升高、碳化物析出與球化等，目前損傷程度尚未嚴重到影響超高壓蒸汽管道的安全運行。但嚴禁出現(xiàn)管道超溫超壓現(xiàn)象，并建議開停工期間嚴格控制升溫升壓、降溫降壓速度，避免此類管道承受沖擊載荷。