专题讲座资料（2021-2022年）低硬度P91钢高温部件安全性能研究与评价中国电力科技网温州会议

1、2010.11 中国 温州 600/1000 MW超超临界机组技术交流2010年会低硬度P91钢主蒸汽管道安全性能研究与评价蔡文河 李炜丽 赵卫东 王智春华北电力科学研究院有限责任公司（100045）摘要：为了研究低硬度P91材质的蒸汽管道和联箱在运行中的安全性能，通过对服役1万小时的低硬度P91管道进行解剖试验，分析了低硬度管材显微组织与常温力学性能、540、566以及600下高温力学性能和持久试验的关系，并对现场里氏硬度测试方法的准确性进行了对比试验和研究，获得了现役P91管道的判别标准，给出了在役P91管道的安全性评价结果和监督技术反措。关键词：低硬度 P91 蒸汽管道 安全性评价1 前

2、言随着大容量、高参数超（超）临界机组在我国火力发电厂的迅猛发展，593 /10万h条件下持久强度可达到100MPa 的P91材料广泛的应用于温度高于566的主蒸汽管道、再热蒸汽管道及其旁路、高温联箱等高温部件。鉴于P91的良好耐热性，甚至540的亚临界机组也应用较为广泛。在超（超）临界机组建设初期，P91主要依赖于进口，由于进口量极大，我国虽然经历了使用假P91的历程，但在短短几年内就完成了P91的国产化目标。按照ASME SA335-SA335M 的要求P91材质管道的硬度不超过250HB，然而在P91材料的检验过程中，不管是进口材料、还是国产材料，其硬度偏低已经是一个很普遍的问题。其硬度值

3、可分为两档：一是介于160180HB之间，一是介于140160HB之间，个别的部件甚至更低，同时还出现组织不合格的情况。因此，在电力行业新颁布的DL/T438-2009火力发电厂金属技术监督规程中明确提出了，P91材料的硬度不得低于180HB的要求。但是在已经运行的P91管道和联箱仍存在大量的低硬度的现象，这给机组的长期稳定运行带来了严重的安全隐患。对低硬度P91蒸汽管道、联箱安全性能进行评价无疑是极其重要的。2 P91钢主汽管道硬度偏低归纳P91常见的硬度问题总结起来，可以分以下几类：（1）管道直管外表面硬度分布均匀，但整体偏低；（2）管道直管外表面硬度分布不均匀，局部硬度偏低；（3）管道弯

4、头硬度分布不均匀，背弧面硬度低，内弧以及弯头上的直管段硬度正常；（4）管道由外壁至内壁硬度分布不均匀，外壁一定范围内硬度较低，而内壁正常；（5）管道由外壁至内壁硬度整体偏低。例如，某电厂2MS-9组件弯管标高为23.6米，规格为Di368.3×41mm。检验方案及标记方法为：沿着介质流向依次环向做硬度检验，每环以英文字母A起标记，每两环之间的间距约为0.5m。每环的周圈取八点，两点之间角度间隔约45°，迎向介质观察从弯管背弧起以标记，按逆时针依次类推标记为，具体检验位置如图1所示。该弯管在背弧长约2米，夹角约为90°（即和两个位置间夹角）的范围内硬度值较低，在13

5、0HB160HB之间，最低的区域(C附近)达到138HB，外表面硬度分布明显不均匀，低硬度主要分布在背弧面。如将管道沿径向展开，其具体硬度分布如图2所示，硬度低区域的显微组织如图3所示。图1 2MS-9组件弯管检验示意图图2 2MS-9组件弯管硬度分布图3 硬度异常位置的金相组织同样的情况可在许多电厂可见。某电厂主蒸汽管道90°弯头，材质为P91,在服役后的检修过程中，发现弯头硬度分布不均匀，背弧面局部硬度低，在140HB160HB之间，低硬度位置金相组织异常，出现铁素体，且马氏体位相明显消失，而弯头两端直段以及内弧面硬度正常。另某电厂美国产A335 P91管道，规格ID368

6、15;42mm，在对管道端面处检验中发现管道内外壁硬度分布不均匀，距外表面20mm范围内硬度值偏低，在160HB170HB之间，其他部位硬度值为180HB200HB。3 测试方法和特点在对管道和联箱的研究和现场检验中，常用的试验方法有三种：一是用里氏硬度计对部件进行现场测试，二是用锤击式硬度计对部件进行现场测试，三是对部件进行解剖，在实验室中用台式布式硬度进行测试。布氏硬度是在一定的检测力作用下，压力与试样压痕面积的比值。其特点测量精度高、重复性好。里氏硬度是通过规定一定质量的冲击体，以一定速度冲击试样表面，用冲击头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度的比值计算其硬度值。其特点是精度高，

7、可以保证±0.8%。锤击式硬度的原理与布氏硬度测试方法一致，但其误差较大，所以也称“近似硬度检测法”。在现场进行硬度检测时，台式布氏硬度测量时不可行的，多采用便携里氏硬度进行测量，依据的测试标准为GB/T17394-1998金属里氏硬度试验方法。但是GB/T17394中明确规定其所测试对象为低碳钢、低合金钢和铸钢，超出这些材料的范围应进行对比试验，找出对应关系，这样才能准确的记录材料的真实硬度。GB/T17394第8条还规定，“应尽量避免将里氏硬度换算成其他硬度”，且“应在里氏硬度符号之前附以相应的硬度符号。例如400HVHLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值换算的维氏硬度为400

8、”。因此，对于P91钢，在现场进行硬度测试时，应对其进行实验室模拟对比试验，得出换算关系。4 试验研究与结果分析试样材料取于某电厂在役的的P91钢主蒸汽管道，规格为Di368.3×41mm。现场硬度测试为130-160HBHLD。4.1 化学成分分析如表1所示，现场取样管的化学成分满足A335 P91规定要求。表1 现场割取P91钢化学成分分析（%）元素CSiMnPSCrMo标准要求0.080.120.200.500.300.600.0200.0108.009.500.851.05实测含量0.0760.300.440.00890.00148.330.88元素NiVAlNbNOH标准要

9、求0.400.180.250.040.060.10.0300.07-实测含量0.170.210.00420.0720.0500.00170.000074.2 低硬度对比试验大量现场试验已经表明，用里氏硬度计测量的硬度值与实验室用台式硬度计的测量值存在一定的偏差。要得到实际的硬度值，就要进行对比试验。按照GB/T17394中的数据换算表画出的 HLD与HBHLD的换算曲线如图4所示。 图4 GB/T17394中的 HLD与HBHLD 图5 台式硬度计对P91直测HB值与里氏的换算曲线 硬度计直测HLD值的对比关系曲线对现场割取的低硬度P91试样进行测试，对比关系如图5所示。按照GB/T 1739

10、4金属里氏硬度试验方法的数据换算表进行换算，472HLD相当于180HBHLD，448HLD相当于160HBHLD（图4）。然而在对P91实际管样进行解剖对比试验时可知，里氏硬度计实测值450HLD与台式硬度计实测180HB的试样相当，里氏硬度计实测值425HLD与台式硬度计实测160HB的试样相当（图5）。由此可见，用便携式里氏硬度计测量的里氏硬度值经换算表或者仪器直读的HBHLD值要比台式布氏硬度计测量的HB值小20HB左右。即160HBHLD（450HLD）左右的P91钢，其布氏硬度应为180HB、140HBHLD（425HLD）左右的P91钢，其布氏硬度应为160HB。为了得到P91钢

11、不同的硬度值，将P91钢试样在1050正火后，分别于710、730、750、770、790、810、820、830、840各回火保温1h，然后观察金相组织，并测试布氏硬度值，同事将试样送至中国计量研究院进行里氏和布氏对比试验，对比结果如图6、7所示。其金相组织如图8所示。由图可见，730回火后为板条马氏体；750、770、790回火后金相组织为回火马氏体，但790时板条有所变宽；在810、830回火后的组织中，除回火马氏体外，还出现了微量的小铁素体块以及少量的细窄板条淬火马氏体，淬火马氏体是由奥氏体自高温（超过A1相变点）冷却时转变而成的。出现硬度降低的原因是由于P91在回火温度过高所致。图6

12、 不同温度回火后里氏硬度与布氏硬度的对比关系图7 P91钢里氏硬度与布氏硬度拟合曲线图 图8-1 回火（730）金相组织 图8-2 回火（750）金相组织 图8-3 回火（770）金相组织 图8-4 回火（790）金相组织 图8-5 回火（810）金相组织 图8-6 回火（830）金相组织图8 不同回火温度下的P91钢金相组织4.3 力学性能针对P91钢现场测试的硬度值，对160HB/140HBHLD（425HLD）、180HB/160HBHLD(450HLD)的硬度进行力学性能测试，其结果如表2、3和表4、5所示。表2 P91钢硬度值为160HB/140HBHLD（425HLD）左右的力学性

13、能结果序号温度 t/抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 RP0.2/MPa断延A/面缩Z/冲击吸收功KV2/J备注1室温（均值）560282.533.870.5126.3ASME SA33558541520(纵向)GB5310住友数据68552125.872.9V&M数据742591254031318542.381.8253.3GB5310269.2资料数据（223HB）48542317.874.25463566275161.53983.8249.5GB5310240资料数据4123762085167460024515250.389.3242.7GB5310198资料数据290从表2种可以

14、看出，硬度为160HB/140HBHLD（420HLD）的P91钢的室温抗拉强度和屈服强度均大幅度下降，尤以屈服强度下降幅度最大。其结果如表3所示。与正常的P91钢相比，室温下屈服强度比ASME SA335的要求下降了32%，抗拉强度下降了4%。与日本住友的数据相比，屈服强度下降了46%，抗拉强度下降了18%。与V&M相比，屈服强度下降了52%，抗拉强度下降了25%。表3 硬度值为160HB/140HBHLD（425HLD）P91钢力学性能与相关数据对比下降结果序号温度 t/抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 RP0.2/MPa备注1室温与ASME SA335室温数据对比4%32%与住友室

15、温数据对比18%46%与V&M室温数据对比25%52%2540与资料数据对比（223HB）36%56%与GB5310对比-31%3566与资料数据对比33%57%与GB5310对比-33%4600与资料数据对比16%-与GB5310对比-23%540下的屈服强度和抗拉强度与有关资料相比分别下降了56%和36%。屈服强度与GB5310下限值相比下降了31%。566下的屈服强度和抗拉强度与有关资料相比分别下降了57%和33%。屈服强度与GB5310下限值相比下降了33%。600下的抗拉强度下降了16%。屈服强度与GB5310下限值相比下降了23%。由此可见，硬度值为160HB/140HBH

16、LD（425HLD）P91钢力学性能下降幅度很大。同样分析硬度在180HB/160HBHLD（450HLD）P91钢力学性能。如表4、5所示。室温、540、566和600下的抗拉强度和屈服强度均高于ASME SA335或GB5310下限值的要求。但与相关资料提供的数据相比要低，在14-25%之间。尤其与硬度在223HB的P91钢在546下的力学性能相比，抗拉强度和屈服强度均下降了25%。可见，硬度为180HB的P91钢，其力学性能可以满足规范的要求，但位于下限。这也是将P91钢的硬度规定其下限值为180HB的理由。表4 P91钢硬度值为180HB/ 160HBHLD（450HLD）左右的力学性

17、能结果序号温度 t/抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 RP0.2/MPa断延A/面缩Z/冲击吸收功KV2/J备注1室温637.5445.024.065.394.0ASMESA33558541520(纵向)GB5310住友数据68552125.872.9V&M数据7425912540365.0317.525.079.0180.8GB5310269.2某厂546数据（223HB）48542317.874.23566342.5300.028.081.5176.2GB5310240资料数据41237620851674600310.0277.531.585.5201.0GB5310198资料数据2

18、90表5 硬度值为180HB/160HBHLD（450HLD）P91钢力学性能与相关数据对比结果序号温度 t/抗拉强度 Rm/MPa屈服强度 RP0.2/MPa备注1室温与ASME SA335数据对比9%7%与住友室温数据对比7%15%与V&M室温数据对比14%25%2540与资料数据对比（223HB）25%25%与GB5310对比-18%3566与资料数据对比17%20%与GB5310对比-25%4600与资料数据对比7%-与GB5310对比-40%4.4 高温持久性能分别对硬度在160HB/ 140HBHLD（420HLD）和180HB/ 160HBHLD（450HLD）的P91钢

19、在540和566的高温下进行持久强度测试。从短时间的断裂时间可以看出，160HB/140HBHLD（420HLD）的断裂时间与硬度在223HB的P91钢相比，其差距巨大。160HB/140HBHLD（420HLD）的管样在540下200MPa的断裂时间仅为135h，而硬度在223HB的P91钢的断裂时间为9226h。将初始应力降低到140MPa，其断裂时间也很低，为1881h。在566、140MPa下的断裂时间也仅为125h。可见，虽然短时间的持久试验具有一定的分散性，但巨大的数据下降，足以说明，硬度低的P91钢，其高温持久强度很差，会严重影响的运行的安全性。 180HB/ 160HBHLD（

20、450HLD）的管样在566下200MPa的断裂时间仅为1692h，与硬度在223HB的P91钢的断裂时间为为9226h也有一定的差距。根据持久试验的数据，其断裂时间与初始应力的关系如图9所示。图9 540和566下低硬度P91钢持久强度外推趋势曲线经初步计算，外推10万小时的持久强度见表7所示。可见布氏硬度值在180HB时其10万小时的持久强度与GB 5310-2008相比相当，这说明，P91钢的硬度要求180HB的下限值是一个绝对下限。而160HB硬度值的10万小时外推强度比GB 5310-2008的推荐值小了一半。可见在现场硬度检验中，最低限的要求是不能放松的。综合上述实验结果，对于现场测试低硬度的P91钢，按照对比曲线，里氏硬度在420HLD的P91钢，用里氏硬度计直接读数或者按照GB/T17394进行布氏硬度换算，布氏硬度值为140HBHLD，其台式布氏硬度计的测试结果为160HB。里氏硬度在450HLD的P91钢，用里氏硬度计直接读数或者按照GB/T17394进行布氏硬度换算，布氏硬度值为160HBHLD，其台式布氏硬度计的测试结果为180