徐 開 黃 群 王 松

1．上海上電漕涇發(fā)電有限公司;

2．上海明華電力科技有限公司

0 概述

某公司1 000MW機(jī)組高旁閥門進(jìn)出口分別與主蒸汽管、再熱冷段蒸汽管相連，閥門進(jìn)口材質(zhì)為SA336-F92，進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度610℃，出口變徑管和噴管材質(zhì)為SA182-F91，規(guī)格為Φ508mm×44mm，出口設(shè)計(jì)溫度528℃；冷再管道材質(zhì)為A691 1-1/4Cr CL22，閥門噴管后管道經(jīng)過噴水調(diào)節(jié)閥減溫，連接冷再管道。現(xiàn)場檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，返修備品噴管硬度值偏低，擴(kuò)大檢查發(fā)現(xiàn)4只高旁噴管中有2只均存在類似情況。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場金相、常溫和高溫拉伸等試驗(yàn)，并對其軟化原因進(jìn)行分析，采取對應(yīng)措施。

1 材質(zhì)性能檢驗(yàn)

選擇硬度異常的高旁噴管進(jìn)行取樣分析。高旁噴管安裝及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高旁閥門及噴管（虛框內(nèi)）

1.1 光譜分析

采用直讀式光譜儀對高旁噴管進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可見，高旁噴管的化學(xué)成分滿足DL/T 869-2012《火力電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對F91材料的要求。

1.2 硬度試驗(yàn)

為了避免硬度檢測區(qū)域的偶然性，采用同型號(hào)的EQUOTIP BAMBINO2里氏硬度計(jì)對噴管外表面、內(nèi)表面及橫截面等多處進(jìn)行硬度檢測，檢測硬度值約為145～150 HBHLD，低于DL/T 438-2016對F91的要求的下限值175HB[1]。

實(shí)際檢測中，9%Cr鋼里氏硬度，檢測值與實(shí)際值經(jīng)常有一定的差異[2-3]，因此DL/T 438-2016中要求，里氏硬度檢測結(jié)果異常時(shí)，宜采用便攜式布氏硬度計(jì)進(jìn)行校核。

為了避免試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法對硬度結(jié)果產(chǎn)生的影響，對硬度異常的高旁噴管取樣，并分別進(jìn)行里氏硬度與布氏硬度檢測。試樣要求和測試方法按照GB/T 231．1-2009《金屬布氏硬度測試試驗(yàn)》[4]第1部分：測試方法 和GB/T 17391．1-2014《金屬材料里氏硬度測試試驗(yàn)》[5]第1部分的測試方法執(zhí)行，檢測結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，經(jīng)便攜式布氏硬度計(jì)校核后的硬度值高于相同檢測條件下里氏硬度結(jié)果，但仍低于DL/T 438-2016對F91的要求的下限值175HB。

里氏硬度計(jì)轉(zhuǎn)換的布氏硬度值與實(shí)測布氏硬度值有一定的負(fù)偏差（約-10HB左右）。在滿足里氏硬度測試條件下（試樣的質(zhì)量、厚度及表面處理等要求[5]）,偏差原因?yàn)橛捕扔?jì)換算關(guān)系不準(zhǔn)確。里氏硬度計(jì)內(nèi)置里氏硬度與布氏硬度的換算曲線，但曲線是基于碳鋼和低合金鋼硬度數(shù)據(jù)，對于F91高合金鋼來說，存在一定的差異性，文獻(xiàn)[6]表明，差異性主要來自屈強(qiáng)比。因此，在用里氏硬度計(jì)測試9Cr%鋼時(shí)，考慮儀器帶來的偏差對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正校核。

1.3 拉伸試驗(yàn)

在硬度試樣上取樣，分別進(jìn)行常溫及高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，試樣規(guī)格為Ф10mm×長150mm。拉伸結(jié)果如表3和表4所示。

表1化學(xué)成分測試（wt%）

表2里氏轉(zhuǎn)換布氏硬度和實(shí)驗(yàn)室布氏硬度結(jié)果

表3常溫短時(shí)力學(xué)性能

表4高溫短時(shí)力學(xué)性能

由表3和表4可見，硬度值偏低區(qū)域的試樣，常溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，斷后伸長率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比在0．51～0．59區(qū)間。

高溫下（530℃和600℃）屈服強(qiáng)度也低于標(biāo)準(zhǔn)要求。其中600℃的性能指標(biāo)屈服強(qiáng)度為198MPa，530℃下的屈服強(qiáng)度為278MPa（通過內(nèi)插法插值計(jì)算）。結(jié)果表明F91材料的試樣隨著硬度的降低，其強(qiáng)度也隨之下降，但其塑性指標(biāo)有所提升。當(dāng)試樣硬度值比下限值低15HB時(shí)，屈服強(qiáng)度相比標(biāo)準(zhǔn)要求最小值下降約25%，當(dāng)硬度比下限值低20HB時(shí)，下降約33%。

“碳鋼和低合金鋼”里氏硬度與“高合金鋼”的差異來自屈強(qiáng)比。

1.4 金相組織試驗(yàn)

圖2是高旁噴管低硬度區(qū)域的顯微組織形貌。從圖2可以看出，基體組織為回火馬氏體+鐵素體。組織內(nèi)雖然保持了一定的馬氏體板條形貌，但是卻發(fā)生了不同程度的鐵素體化（圖中箭頭所示），部分區(qū)域內(nèi)馬氏體位向比較模糊，主要以鐵素體組織存在。

圖2 （a）高旁噴管金相組織

圖2 (b)高旁噴管金相組織

2 噴管硬度偏低原因分析

通過對原始記錄、安裝記錄、現(xiàn)場焊縫、母材檢驗(yàn)和運(yùn)行專業(yè)了解：原始記錄檔案室無記錄，安裝記錄檢驗(yàn)報(bào)告正常，現(xiàn)場連接管道和焊縫硬度、組織均正常；高旁閥后運(yùn)行最高溫度350℃左右，鍋爐啟動(dòng)時(shí)最高溫度為450℃，高旁閥后溫度超過380℃時(shí)，自動(dòng)投減溫水，由此可以判定：噴管F91材料硬度偏低和組織異常是由F91制造過程中熱處理工藝不當(dāng)造成的。

正常情況下，對于F91鍛件，熱處理需要經(jīng)歷正火和回火兩個(gè)階段，正火溫度范圍應(yīng)為1 040℃～1 095℃，回火溫度不低于730℃?；鼗鸷笮纬删鶆虻陌鍡l馬氏體組織。從前文試驗(yàn)結(jié)果看，造成噴管材質(zhì)不良的原因是組織內(nèi)出現(xiàn)一定量的鐵素體，馬氏體板條結(jié)構(gòu)不明顯?？梢酝茢?，高旁噴管回火過程中回火溫度過高且保溫時(shí)間較長，碳含量過飽和的馬氏體板條在AC1以上溫度部分奧氏體化，析出的碳在晶界處偏析，成為回復(fù)再結(jié)晶的新核，使原細(xì)密均勻的馬氏體板條變得模糊；此外，參與奧氏體化的板條馬氏體碳含量降低，降溫過程緩慢[7]不足以形成板條馬氏體的過冷度，繼而形成強(qiáng)度硬度偏低的鐵素體，因此高旁噴管硬度強(qiáng)度降低，而塑性提高。

3 處理方案

考慮到噴管硬度和金相組織不符合要求，通常處理方法是在檢修期間進(jìn)行更換或者回廠熱處理和安全性評估監(jiān)督運(yùn)行。由于檢修計(jì)劃的因素，且該設(shè)備無備品，因此采用正火+回火的調(diào)質(zhì)熱處理工藝消除異常[8]。工藝如下：正火升溫速度為125℃/h；1 050℃～1 068℃恒溫1h后空冷；馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為100℃恒溫2h；回火升溫速度為140℃/h；恒溫750℃～760℃，恒溫3h后空冷，如圖3所示。

圖3 調(diào)質(zhì)處理工藝

調(diào)質(zhì)處理后，對噴管兩側(cè)、中間和內(nèi)壁進(jìn)行硬度測試，抽檢2處進(jìn)行金相試驗(yàn)。平均硬度范圍為190HB～215HB，金相組織與F91正常組織相符，如圖4所示。并對管道和法蘭的變形情況進(jìn)行測量，檢驗(yàn)結(jié)果無變形，如圖5所示。

圖4 調(diào)質(zhì)處理后金相組織

圖5 變形情況檢測

4 結(jié)論

(1)受監(jiān)范圍的金屬材料及部件在入庫、安裝前后應(yīng)嚴(yán)格按相應(yīng)的國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定對其質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2)噴管F91鍛件母材硬度偏低，與其回火溫度過高、保溫時(shí)間長有關(guān)，可以通過正火+回火處理。

(3)采用里氏硬度計(jì)檢測F91/P91，硬度值偏低應(yīng)采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行校核，若無便攜式硬度計(jì)，應(yīng)采用對比試驗(yàn)進(jìn)行修正。

(4)采用重新正火+回火（調(diào)質(zhì)）處理恢復(fù)F91鋼的力學(xué)性能，是基于傳統(tǒng)馬氏體鋼的強(qiáng)化機(jī)理，而F91鋼采用該工藝處理后的高溫長期性能還缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，尚需開展相關(guān)的試驗(yàn)研究工作，并跟蹤現(xiàn)場管件運(yùn)行過程中的組織性能演化情況。