低硬度P91材质管子问题的分析与处理

低硬度P91材质管子问题的分析与处理发布时间：2022-02-14T04:31:03.037Z 来源：《中国科技人才》2021年第28期作者：王飞1 杨超2 吴伟1 蔡天增1 徐成1 张立代1 石仁强2刘德明3
[导读] 低硬度P91管道的危害性及检测方法已有案例和论述，但多数限于易于检测的大口径管道，对小口径（φ100以下）低硬度P91管道鲜有论及。

1.江苏镇江燃气热电有限公司镇江市 212028；
2.江苏方天电力技术有限公司南京市 211102；
3.镇江新华电工程质量检测有限责任公司镇江市 212006
摘要：低硬度P91管道的危害性及检测方法已有案例和论述，但多数限于易于检测的大口径管道，对小口径（φ100以下）低硬度P91管道鲜有论及。

为防止不合格的P91管子使用后造成危害，需收集案例并研究。

描述了低硬度P91管子的发现、处理过程，分析了便携式里氏硬度计测试硬度偏差较大、供应商测试结果与第三方检测单位测试结果不同、管子金相组织及硬度值异常的原因。

判定该批管子属于不合格产品，并提出在安装前应综合采用硬度检验、金相检验、力学性能试验等多种手段对P91材质管道进行检验，以避免不合格管道用于机组设备中。

关键词：低硬度管子; P91材质; 硬度测试偏差; 金相组织异常
某火电厂1#机本体疏水管道安装过程中，安装技术人员在管道安装前即委托对P91材质管道母材进行硬度检验（DL/T869-2012［1]表5要求焊后热处理后进行），金属检测人员在检测中发现φ48×5管子硬度值远低于标准值的缺陷，结果经第三方检测公司、厂家确认后，作换管处理，避免了安装后才发现不合格所造成的返工损失以及造成运行隐患的可能。

以下对该问题详细描述并对问题出现的原因进行分析。

1管子质量不合格情况及分析 1.1管子质量不合格发现及处理过程 P91（全称 SA-335 P91）材质本体疏水管规格有φ76×8、φ60×7、φ48×5、φ48×6、φ21×4.5、φ60×5.5、φ34×4.5共7种，所提供的质量证明书均符合要求。

安装前委托进行光谱分析、硬度检验，用Niton XL2型直读式光谱分析仪按照DL/T 991-2006［2] 进行材质分析，结果均符合产品标准［3]:表1的要求（示例见图1）。

根据DL/T438-2016［4]:7.1.5的要求，按照GB/T 17394.1-2014［5]用TIME5300型便携式里氏硬度计进行硬度检验，结果除规格为φ48×5的管子（总长约51m）外，其余管子硬度均满足行业标准DL/T438-2016［4]:7.3.2 a)中185HB～250HB 及产品标准［3]:9.3中190HBW～250HBW的要求。

规格为φ48×5的管子硬度值均在131HBHLD～142HBHLD，远低于标准要求，于是又根据文献［4]:7.3.6、7.1.5的要求，扩大检验范围，增加打磨深度，并按GB/T231.1-2009［6]采用PHBR-200型磁力式数显布洛硬度计（便携式布氏硬度计）复核（示例见图2），便携式里氏硬度计复测结果与原数据接近，用布氏硬度计抽检4根硬度值分别为159HB、162HB、166HB、171HB，依然低于标准要求。

将上述结果反馈给该批钢管供应商后，从现场截取1段规格为φ48×5的管子拿到供应商理化检验部门进行复核，之后供应商给出了硬度值215HV10(图3)的结果，该值符合产品标准［3]:9.3中196HV～265HV的要求，据此供应商认为该批管子无问题。

为了进一步确认，甲方另取1段管子送至第三方检测单位进行更全面的检验。

第三方检测单位采用线切割方式取样后制成镶嵌试样，按照DL/T884-2019［7]用ZEISS Observer alm型金相显微镜进行金相组织分析，按照文献［6]用AT250DR-NX型布氏硬度计、按照GB/T4340.1-2009［8] 用FM-700型数显维氏硬度计进行硬度检测。

检测结果见表1，由此可知，该试样硬度不符合产品标准［3]:9.3的要求；根据GB5310-2017［9]：6.10 e)，10Cr9Mo1VNbN（相当于SA-335 P91）材质钢管的显微组织应为回火马氏体或保持马氏体位相的回火索氏体，该试样金相组织显然不符合要求。

在将上述检测结果告知供应商后，供应商又取1段管子复验，随后同意更换处理。

图1 光谱分析
图4 靠近内壁侧金相组织（500×）
注：外壁有轻微的脱碳层。

1.2便携式里氏硬度计测试硬度偏差较大原因分析
现场对规格为φ48×5的P91材质管子用里氏硬度计测试，硬度值均在131HBHLD～142HBHLD，与第三方检测单位所测的162HB偏差较大，其原因一方面由于该管曲率半径较小、管壁较薄，根据里氏硬度测试原理，当试件曲率小到一定尺寸时，冲头在落于试件曲面相较落于平面会产生距离偏差。

薄壁试件测试时，会出现试件变形或移动的情况。

为解决曲率和壁厚引起的偏差，当被测表面曲率半径小于30mm 的试件在测试时应使用随机配带的小支承环测试，管壁较薄时在管内放入适当芯子［10]（这点在现场很难操作）。

另一方面，根据材料的弹性模量、合金类型、热处理状态可以对各种材料分类，材料不同，里氏硬度值换算为布氏、洛氏、维氏硬度值也不同。

依据GB/T 17394.4-2014 ［11]及里氏硬度计内部设置均可换算，但二者仅有碳钢、低合金钢、铸钢的换算关系，并无针对P91材质钢的。

相关研究表明［12]，P91材质钢管在布氏硬度值180HB以下范围，用便携式里氏硬度计测量里氏硬度值，然后经换算表换算出的HBHLD值或者仪器直读
的HBHLD值要比台式布氏硬度计测量的HB值小20HB左右，即140HBHLD（425HLD）左右的P91钢，其布氏硬度应为160HB。

这就是现场用里氏硬度计测得的HBHLD值比实际HB值低的主要原因。

另外虽然现场用便携式布氏硬度计所测HB值与第三方检测单位测值相近，但是也不能完全采信，因为该仪器在现有压头条件下要求被测试件厚度不小于8mm［13]，故其测值仅可做参考。

1.3供应商测试结果与第三方检测单位测试结果不同原因分析
经了解，供应商只在试样管上测试了1个点的硬度（硬度值215HV10）即判定试样符合要求。

首先只取1点测试代表性不足，维氏硬度测试压痕直径仅约0.3mm（图3），从现场及第三方检测单位测试结果看，该批管子组织、硬度不均匀分布，不排除出现个别点位硬度值合乎标准的情况。

其次仅测试维氏硬度说服力不强（实际上在图3中已可以发现其并非标准的回火马氏体组织），第三方检测单位增加了布氏硬度测试、金相组织分析，根据三方面的结果综合研判，所得出的结果更为可靠。

图7 3#金相组织
1.4管子硬度值、金相组织异常原因分析
由第三方检测单位测试结果可知，该管硬度低主要是因为金相组织异常，其中的铁素体硬度远低于正常组织中的回火马氏体硬度所致。

据相关文献［14]、［15]，P91管金相组织产生异常的原因主要是热处理过程控制不当，以及切削加工余量不足使表面脱碳层残留。

在本次所取试样中，外壁有轻微的脱碳层，主要的异常组织在内部，其靠近外壁侧组织形貌（图5）与研究低硬度P91钢组织的文献［16]中2#金相照片、3#金相照片（图6、图7）相似，该文作者经金相显微镜观察显微组织，通过电子显微镜观察组织形貌和析出物，并利用能谱仪对析出相进行成分分析，发现2#、3#试样（及其它试样）中组织基体为等轴状铁素体+碳化物，弥散分布的为M23C6型碳化物颗粒、Laves 相和少量的Z相。

这一结论相当于第三方检测单位金相组织判定的深化，M23C6型碳化物、Laves相、Z相就是相变组织。

另靠管内壁侧判定含有粒状贝氏体是就其形态而言的，粒状贝氏体的特征是大块状或条状的铁素体内分布着众多小岛的复相组织（相变组织），故靠管内壁侧组织也可称为铁素体+相变组织。

形成上述异常组织的可能原因为［14]、［16]：1）正火时冷却速度慢，冷却速度低于9℃/min就有先共析铁素体产生，冷却速度慢到一定程度没有马氏体产生。

2）回火温度过高，随着温度的升高，马氏体再结晶形成铁素体。

2结论
2.1 1#机本体疏水管道中P91材质、规格为φ48×5的管子金相组织、硬度均未达到标准要求，属于不合格产品。

2.2鉴于P91材质管道易产生制造缺陷，在安装前应综合采用硬度检验、金相检验、力学性能试验等多种手段对P91材质管道(尤其是小径P/T91材质管子)进行检验，以避免不合格管道用于机组设备中。

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[9]高压锅炉用无缝钢管:GB⁄T5310-2017[S].北京：中国标准出版社，2009:16.
[10]TIME5300型里氏硬度计使用说明书[Z]2016:6-9
[11]金属材料里氏硬度试验第4部分硬度值换算表:GB/T 17394.4-2014 [S].北京：中国标准出版社，2014:1-6.
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[13]PHBR-200型磁力式数显布洛硬度计使用说明书[Z] 2018:10
[14]代小号，欧阳杰,等.T91钢金相组织异常原因分析及建议[J].河北电力技术,2012,31(04): 21-23.
[15]董鹏，P91钢管硬度检测值偏低原因分析[J].内蒙古电力技术,2015,33(03): 74-76.
[16]赵彦芬，张路,等.低硬度P91钢组织与性能研究[C]// 中国电机工程学会金属材料专业委员会.金属材料专委会第一届学术年会论文集,2015,08:103～110.
第一作者简介：王飞（1972-），男，高级工程师，专业方向为火电厂金属焊接。