P91材料硬度低的处理方案及建议_汪建光

160～175（两侧肩部）
195～217（内弧面）
132～153（背弧面）
φ558.8×22.23
159～179（两侧肩部）
188～211（内弧面）
138～155（背弧面）
φ558.8×22.23
137～163（两侧肩部）
185～215（内弧面）
某电厂的热再热蒸汽管道及主蒸汽管道均选用了 P91 材料，由锅炉厂从德国 V&M 公司进口，部分配管弯头从国内 厂家采购。在做该厂锅炉的定期检验时，发现热再热蒸汽管
2014年 第9期
化学工程与装备
2014年9月
Chemical Engineering & Equipment
161
P91 材料硬度低的处理方案及建议
汪建光 1,2
（1．福建省特种设备检验研究院；2．福州大学化学化工学院，福建 福州 350000）
摘 要：对弯头进行硬度测试，找出问题弯头；再对问题弯头进行化学成分分析、显微组织分析、组织成 因分析、原材料来源查找，拟提出处理方案和建议。 关键词：硬度低；P91；组织
（a）弯头②背弧面（145HB HLD）；（b）弯头②肩部（165HB HLD）；（c）弯头②内弧面
（d）弯头③背弧面（139HB HLD）；（e）弯头③肩部（171HB HLD）；（f）弯头③内弧面 2.3 组织成因分析
P91 大口径管热弯过程中，当 R/D（R 为弯制半径，D 为管子外径）＞5%时，热弯加热温度为 750～780℃，当 R/D ＜5%时，热弯加热温度为 950～1050℃；弯制时应避开 850～ 950℃这个温度区间，防止产生裂纹。热弯后，管子应进行 正火+回火处理，据 GB5310-2008，正火温度：1040～1080℃， 保温时间：1.5～2.5min/mm；回火温度：750～780℃，保温 时间：＞2h（周期炉）。
的要求；弯头硬度与前述 P91 常见硬度问题（5）极为相似， 但该 4 个弯头肩部硬度也低。 2 结果及成因分析
由于国内假 P91 材料较多，且青海大通电厂建设初期发 生过主蒸汽管道爆炸事故，建设单位非常重视，组织各方查 找原因，并进行以下分析：化学成分分析、显微组织分析、 组织成因分析、原材料来源查找。最后，基于以上分析，提 出合理的解决问题的方案。 2.1 化学成分分析
弯头编号 主蒸汽弯头① 主蒸汽弯头② 热再热蒸汽弯头③ 热再热蒸汽弯头④
表 1 弯头(材质为 P91)测点硬度值列表
管道规格（mm）
测点硬度值分布范围(HB HLD)
139～161（背弧面）
φ323.9×21.44
145～161（两侧肩部）
200～221（内弧面）3.9×21.44
① ② ③ ④
C/% 0.08 ～ 0.12 0.10 0.10 0.10 0.10
Si/% 0.20 ～ 0.50 0.35 0.37 0.35 0.39
表 2 弯头（材质为 P91）化学元素成分表（wt%）
Mn/%
P/%
S/%
Cr/% Mo/% V/%
0.30 ～ 0.60
≤0.02 ≤0.01
0
0
8.00 ～ 9.50
0.85 ～ 1.05
0.18 ～ 0.25
0.51 0.013 0.008 9.12 0.99 0.20
0.52 0.015 0.007 9.17 0.91 0.20
0.47 0.011 0.009 8.98 0.93 0.19
0.48 0.012 0.007 9.01 0.95 0.22
[2] 蔡文河, 李炜丽, 等. 低硬度 P91 钢主蒸汽管道安全 性能研究与评价//600/1000MW 超超临界机组技术交流 2010 年会[C]. 2010.
引言 电站锅炉的大容量、高参数化发展，对电站材料的性能
（高温蠕变性能、持久强度、抗氧化性能等）提出了更为苛 刻的要求。T/P91 材料具有良好的高温性能，593 ℃/10 万 h 条件下持久强度可达到 100MPa，主要用于温度高于 566℃ 的高温集箱、蒸汽管道、热再热蒸汽管道、受热面管子等高 温部件；用于高温集箱、蒸汽管道、再热蒸汽管道时，管道 使用壁温可以达到 620℃；用于受热面管子时，管子使用壁 温可以达到 650℃[1]。鉴于 T/P91 材料良好的高温性能，广 泛应用于超（超）临界机组，也应用于主汽温度 540℃的亚 临界机组和主汽温度 565℃的燃气—蒸汽联合循环机组。建 设初期，T/P91 材料依赖进口，而且量大，也不乏假材料。
为避免同类问题发生，提出以下建议： （1）配管厂（或管件厂）应做好原材料原始资料的备 案登记工作； （2）配管厂（或管件厂）进口原材料时，应检查进口 货物报关单、外商提供的原材料质量证明书、商检报告、原
产地证明； （3）配管厂（或管件厂）应按照生产工艺要求严格控
制好温度、保温时间、冷却速度； （4）锅炉制造厂应选择生产技术能力强的配管单位； （5）锅炉使用单位应做好管材和管件的落地检验工作，
及时入库、妥善保存； （6）安装单位在施工前应做光谱、硬度检查，防止安
装后出现材质、硬度问题而返工；焊后热处理时，应按照热 处理工艺要求严格控制好回火温度、保温时间、冷却速度。
参考文献
[1] 国家质检总局. TSG G0001-2012 锅炉安全技术监察规 程[S]. 新华出版社, 2012: 5.
道及主蒸汽管道部分弯头硬度值偏低，即为 130～180HB HLD，现场采用便携式里氏硬度计。现对部分热再热蒸汽管 道弯头和主蒸汽管道弯头进行现场硬度抽查，硬度值分布范
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汪建光：P91材料硬度低的处理方案及建议
围见表 1，弯头测点位置分布如图 1 所示。
图 1 弯头硬度测点分布图 表 1 表明，该 4 个弯头硬度分布有共同特征：弯头硬度 值分布不均匀，背弧面及两侧肩部硬度值低，内弧面硬度符 合 DL/T438-2009《火力发电厂金属技术监督规程》附录 C
Ni/% Al/%
≤0.4 ≤0.02
0
0
0.30 0.32 0.33 0.29
0.015 0.013 0.011 0.009
Nb/% 0.06
～ 0.10 0.08 0.09 0.10 0.10
2.2 显微组织分析 审查出厂资料，钢材产品质量证明书表明，P91 钢的高
倍显微组织为回火马氏体/回火索氏体。鉴于 4 个弯头硬度 分布的共同特征，现将主蒸汽弯头②和热再热蒸汽弯头③作 为取样点，从弯头背弧面、肩部、内弧面各选一硬度低处进 行显微组织分析。实验仪器：便携式金相显微仪，型号： XF-800S。图 2（a）、（b）（c）分别为弯头②放大 500 倍的 光学组织形貌，图 2（d）、（e）（f）分别为弯头③放大 500 倍的光学组织形貌。从图中可以看出，弯头②和弯头③背弧 面测点的显微组织均为块状铁素体+回火索氏体+粒状碳化 物；弯头②和弯头③肩部测点的显微组织均为回火索氏体， 板条位向关系基本消失；弯头②和弯头③内弧面测点的显微 组织均为回火马氏体，板条位向关系明显；背弧面出现异常 组织块状铁素体，肩部和内弧面组织符合标准要求。结合硬 度分析，可以得出，弯头背弧面出现块状铁素体，铁素体硬 度低、塑韧性好，故导致背弧面硬度下降明显（145HB HLD、 139HB HLD）；弯头肩部组织内部的位向关系变化，导致肩部 硬度出现一定程度下降（165HB HLD、171HB HLD）；弯头内 弧面位向关系明显决定其硬度正常。
正火温度超过 1080℃时，晶粒会粗大；正火后冷却速 度过慢，会产生块状铁素体相；回火过程中，回火温度控制 不当，如超过 Ac1 点时，会形成极少量的小铁素体块；回火 保温时间长，碳化物析出明显，板条马氏体位向关系逐渐不 明显；这四个因素都会降低 P91 管的硬度。而本文弯头背弧 面形成块状铁素体的主要因素：正火后冷却速度慢。
出于鉴定 P91 材料材质的真假，现从 4 个弯头取样进行 化学成分分析；实验仪器：全谱火花直读光谱仪，型号规格: FOUNDRY-MASTER PRO。结果表明，4 个弯头各元素的重量百 分比均在 GB5310-2008 标准的控制范围内，具体化学元素成 分见表 2。
试样编号
GB5310 -2008
从化学成分、显微组织、原材料来源查找等方面分析， 该批 P91 管材并非假材料，只是部分弯头组织异常，导致硬 度不符合标准要求。相关资料表明，P91 材料硬度降低，会 导致高温下的屈服强度、高温下的抗拉强度、高温持久强度 的下降，温度越高，下降越明显[2]，严重影响在役机组的安 全运行。鉴于以上原因，锅炉制造厂决定更换部分有问题的 弯头。
汪建光：P91材料硬度低的处理方案及建议
163
(a)
(d)
50μm
50μm
(b)
(e)
50μm
50μm
(c)
(f)
50μm 图 2 光学组织形貌
50μm
2.4 原材料来源 在锅炉制造厂沟通查找原材料的来源的过程中，发现该
批弯头的原材料是配管后的余料，进口货物报关单、合同、 质量证明书、国内的商检报告均不可追溯。 3 处理方案及建议
在实际检验工作中，假材料问题不多，更多是 P91 管或
管件硬度偏低的问题。而 DL/T438-2009《火力发电厂金属 技术监督规程》明确提出了，P91 材料的硬度不小于 180HB 的要求。于是，为消除机组运行的安全隐患，急需提出 P91 材料硬度偏低的处理方案。 1 P91 管道硬度低的实例
P91 常见的硬度问题可分以下几类： （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； （4）管道由外壁至内壁硬度整体偏低 （5）管道弯头外表面硬度分布不均匀，背弧面硬度低， 内弧以及弯头上的直管段硬度正常[2]；