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小口徑P91鋼管道硬度測試結(jié)果偏低失效分析案例

嘉峪檢測網(wǎng)        2025-06-09 15:34

 P91鋼管道已廣泛應(yīng)用于火電廠主蒸汽管道等高溫高壓管道上,一些標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了P91鋼管道硬度不超過250HB,但在安裝測試過程中頻繁發(fā)現(xiàn)一些管道硬度低,即部分管道硬度遠低于250HB,甚至小于150HB。

在某火電廠1號機本體疏水管道安裝過程中,金屬檢測人員在安裝前檢測中發(fā)現(xiàn)部分小口徑P91鋼管道硬度遠低于標(biāo)準(zhǔn)值,經(jīng)第三方檢測公司、廠家確認(rèn)后,進行換管處理。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了硬度偏低的原因,避免了安裝后發(fā)現(xiàn)不合格造成的返工損失,以及造成安全隱患。

 

01理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

 P91鋼疏水管規(guī)格(外徑×壁厚,下同)分別為76mm×8mm、60mm×7mm、48mm×5mm、48mm×6mm、21mm×4.5mm、60mm×5.5mm、34mm×4.5mm,所提供的質(zhì)量證明書中顯示鋼管的各項性能均符合要求。按照DL/T 991—2006《電力設(shè)備金屬光譜分析技術(shù)導(dǎo)則》,安裝前對這些鋼管進行光譜分析,符合性檢測只分析標(biāo)志性元素,結(jié)果如表1所示。由表1可知:其合金成分符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)ASME SA-335/335M—2017《高溫用無縫鐵素體合金鋼管規(guī)范》的要求。

 

小口徑P91鋼管道硬度測試結(jié)果偏低失效分析案例

 

1.2 硬度測試

安裝前按照GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度測試 第1部分:試驗方法》,用便攜式里氏硬度計進行硬度測試,結(jié)果顯示:除規(guī)格為48mm×5mm的管子外,其余管子硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求190~250HBW。該管子的硬度均為131~142HBHLD,遠低于美標(biāo)要求。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求,擴大檢驗范圍、增加打磨深度后,復(fù)測結(jié)果與原數(shù)據(jù)接近。按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,采用便攜式布氏硬度計復(fù)核,抽檢的4根鋼管硬度分別為159,162,166,171HB,結(jié)果依然低于美標(biāo)要求。

將上述結(jié)果反饋給該批鋼管供應(yīng)商后,從現(xiàn)場截取1段規(guī)格為48mm×5mm的管子,拿到供應(yīng)商理化檢驗部門進行復(fù)核,供應(yīng)商給出的硬度為215 HV10,該值符合ASME SA-335/335M—2017的要求,據(jù)此供應(yīng)商認(rèn)為該批管子無問題。

為了進一步確認(rèn),另取一段管子送至第三方檢測單位進行檢測。第三方檢測單位采用AT250DR-NX型布氏硬度計,按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法》,用維氏硬度計進行硬度測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知:試樣硬度不符合ASME SA-335/335M—2017的要求。

 

小口徑P91鋼管道硬度測試結(jié)果偏低失效分析案例

 

1.3 金相檢驗

按照DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》,用光學(xué)顯微鏡對鋼管試樣進行金相檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)除外壁有輕微的脫碳層外,靠近內(nèi)壁側(cè)組織為鐵素體+粒狀貝氏體+相變組織 ( 見圖1),靠近外壁側(cè)組織為鐵素體+ 相變組織(見圖2)。根據(jù)GB 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》,10Cr9Mo1VNbN(相當(dāng)于ASME SA-335 P91)鋼管的顯微組織應(yīng)為回火馬氏體或保持馬氏體位相的回火索氏體,該試樣顯微組織顯然不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

小口徑P91鋼管道硬度測試結(jié)果偏低失效分析案例

 

02綜合分析

2.1 便攜式里氏硬度計測試硬度偏差較大原因

現(xiàn)場用里氏硬度計測試規(guī)格為48mm×5mm的P91鋼管,硬度均為131~142HBHLD,與第三方檢測單位所測的162HB偏差較大,認(rèn)為第三方檢測單位的檢測結(jié)果更接近真實值,造成這一偏差的原因為管子的尺寸。

由于該管曲率半徑較小、管壁較薄,結(jié)合里氏硬度測試原理,測試結(jié)果會出現(xiàn)偏差。根據(jù)TIME5300型里氏硬度計使用說明書,在里氏硬度測試時,當(dāng)試件曲率小于一定值時,沖頭落在試件曲面較落在平面會產(chǎn)生距離偏差。測試薄壁試件時,會出現(xiàn)試件變形或移動的情況。為解決曲率和壁厚引起的偏差,當(dāng)測試表面曲率半徑小于30mm時,應(yīng)使用隨機配帶的小支承環(huán)測試,以保持桿狀硬度計穩(wěn)定。

根據(jù)材料的彈性模量、合金類型、熱處理狀態(tài)等對各種材料進行分類,材料不同,里氏硬度換算為布氏、洛氏、維氏硬度的值也不同。依據(jù)GB/T 17394.4—2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第4部分:硬度值換算表》及里氏硬度計內(nèi)部設(shè)置均可進行換算,但二者僅有碳鋼、低合金鋼、鑄鋼的換算關(guān)系,并無針對P91鋼的換算方法,所以換算值實質(zhì)是依據(jù)低合金鋼換算表得到的。P91鋼管布氏硬度小于180HB,用便攜式里氏硬度計測量里氏硬度,然后經(jīng)換算表換算出的里氏硬度值或者儀器直讀的里氏硬度值要比臺式布氏硬度計測量值小20HB左右,即里氏硬度為140 HBHLD(425 HLD)左右換算為布氏硬度,值為160 HB。相較于美標(biāo)和硬度合格的P91鋼管,低硬度P91鋼管因馬氏體板條消失和碳化物析出導(dǎo)致位錯強化及固溶強化效果的減弱,使其屈強比降低,因此現(xiàn)場用里氏硬度計測得的里氏硬度比實際布氏硬度低。另外,雖然現(xiàn)場用便攜式布氏硬度計測得的布氏硬度與第三方檢測單位的檢測結(jié)果接近,但是也不能完全相信,因為該儀器在現(xiàn)有壓頭條件下,要求被測試件厚度不小于8mm,故其測試值僅可供參考。

2.2 測試結(jié)果不同原因

經(jīng)了解,供應(yīng)商只在試樣管上測試了1個點的硬度(硬度為215 HV10)就判定試樣符合要求。首先只取1 點的測試結(jié)果不具有代表性,維氏硬度測試壓痕直徑僅約為0.3mm,從現(xiàn)場及第三方檢測單位的測試結(jié)果看,該批管子組織、硬度不均勻分布,不排除出現(xiàn)個別點硬度不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況。其次,僅測試維氏硬度的說服力不強,第三方檢測單位增加了布氏硬度測試、金相檢驗,得出的結(jié)果更為可靠。

2.3 管道硬度、顯微組織異常原因

由第三方檢測單位的測試結(jié)果可知,該管硬度低主要是因為顯微組織異常,其中的鐵素體硬度遠低于正常組織中的回火馬氏體硬度。P91鋼管顯微組織產(chǎn)生異常的原因主要是熱處理過程控制不當(dāng),以及切削加工余量不足,使表面脫碳層殘留。在所取試樣中,外壁有輕微的脫碳層,主要的異常組織在內(nèi)部,其靠近外壁側(cè)組織與低硬度P91 鋼組織相似,研究人員發(fā)現(xiàn)試樣組織基體為等軸狀鐵素體+碳化物,彌散分布的為M23C6 型碳化物顆粒、Laves相和少量的Z相。這一結(jié)論相當(dāng)于第三方檢測單位顯微組織判定的深化,M23C6型碳化物、Laves 相、Z相就是相變組織??抗軆?nèi)壁側(cè)顯微組織含有粒狀貝氏體是就其形態(tài)而言的,粒狀貝氏體的特征是大塊狀或條狀的鐵素體內(nèi)分布著眾多小島樣的復(fù)相組織(相變組織),故靠管內(nèi)壁側(cè)組織也可稱為鐵素體+相變組織。形成上述異常組織的可能原因為:①正火時冷卻速率慢,冷卻速率低于9℃/min就有先共析鐵素體產(chǎn)生,冷卻速率慢到一定程度沒有馬氏體產(chǎn)生;② 回火溫度過高,隨著溫度的升高,馬氏體再結(jié)晶形成鐵素體。

 

03結(jié)論

(1)1號機本體疏水管道中P91鋼、規(guī)格為48mm×5mm管子的顯微組織、硬度均未達到標(biāo)準(zhǔn)要求,屬于不合格產(chǎn)品。

(2)便攜式里氏硬度計檢測結(jié)果出現(xiàn)差異的原因為:試樣曲率和壁厚太小,且未使用支撐環(huán);硬度換算方式不正確,應(yīng)根據(jù)DL/T 1845—2018《電力設(shè)備高合金鋼里氏硬度試驗方法》表A.1推薦的換算值進行換算。

(3)鑒于P91鋼管道易產(chǎn)生制造缺陷,在安裝前應(yīng)綜合采用硬度測試、金相檢驗等多種手段對P91鋼管道進行檢驗,以避免不合格管道用于機組設(shè)備中。

 

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來源:理化檢驗物理分冊

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