长时高温运行后火力发电机组T91钢受热面管寿命评价.pdf

第 4 2 卷第 4期 2 0 1 1 年 7月 锅 炉 技术 B0I LER TECHN0L0GY Vo 1 ． 4 2，NO ． 4 l u 1 ．．2 O 1 1 文章编 号 C N3 1 1 5 0 8 2 0 1 1 0 70 0 4 1 0 5 长时高温运行后火力发电机组 T 9 1 钢受热面管寿命评价 张 晓昱 ，欧 阳杰 ，柯 浩 ，孙 涛 ，赵彦芬。 1 ．河北省 电力研究 院 ，河北 石家庄 0 5 0 0 2 1 2 ．苏州热工 院有 限责任公 司，江苏 苏州 2 1 5 0 0 4 摘要 采用显微组织分析 、 常温力学性能及高温持久 强度试验 等方法对 运行时 间 1 ． 3 1 0 h的 T 9 1钢受 热 面管进行 了综 合试 验分析 ， 采用等 温线 外推法 计算 出了剩余 寿命 ， 上述 工作 为该 批管段 今后 的安全运 行提 供 了技术保证 。通过 对长时运行后的 T9 1受热面管运行状况进行全面分析 和预测 ， 将对 T 9 1钢长时运行 后寿 命管理起 到重要 的参考作用 。 关键词 长时运行 ；T 9 1钢；持久 强度 ；寿命评估 中图分类号 T G1 4 2 ． 1 1 文献标识码 A 0 前 言 近 几 年来 ， 随 着 我 国火 力 发 电机 组 “ 以大 代 小、 以大压小” 政策的全面实施 ， 大型高参数火力 发 电机组 得 到 了迅猛 发 展 ， 并 逐 步 在 能 源部 署 中 逐渐 占据 主 导 地 位 。这 些 新 建 机 组 的 高 温 高 压 部件对用钢的高温性 能提 出了更高要求 ， T9 1钢 以其 优异 的综 合 性 能 ， 成 为我 国现 阶 段 火力 发 电 厂 的主力 钢种 之 一 。据 统 计 ， 目前 仅 河 北南 部 电 网采 用 T9 1钢种 的火 力 发 电机 组 已有 4 O台 ， 占 总装 机容 量 的 9 0 以上 。 作为我国投运较早 的 T9 1钢 ， 河北某发 电有 限责任公 司 9号炉高温再热器管 自1 9 9 2年 1 0月 5日投 入运 行 以来 ， 2 0 0 9年 8月 1 0日停 机 大修 ， 累计运行时间达 1 ． 3 1 0 h ， 与其 同时 同位置运 行的 1 2 C r l Mo V管段 已全部更换 。为全面 了解 掌握 该批 T9 1钢运 行状 况 ， 为其 下 一 步 的运行 监 督提供有力依据 ， 根据其温度分布 ， 本文采用持 久强度外推法对运行 温度较高的高温再热器外 一 圈进行 了全 面寿命 评 价 。 1 化学成分检验 该批 T9 1钢化 学 成 分见 表 1 ， 检 验 结果 符 合 AS ME S A2 1 3 2 0 0 7标 准要 求 。 表 1 化 学成分 结 果 ’ wt 注 1号试样为外 1 排左数第 1 5根 ； 2号试样为外 1 排左数第 2 0根 2宏观检验 3 微 观组织检验 依 据 D L 4 3 8 火力发 电厂金 属技术 监督规 程 等标准 ， 采 用外 观检查 、 管 子外 径检 测等方 法 ， 对高温再热 器管进行 了宏 观检查 ， 该批 T9 1 钢管外壁无明显 的磨损 、 鼓包、 胀粗等特征， 内外 壁 均存 在 明显 的氧化 皮 。 3 ． 1金 相检 验 OM 对运行 1 ． 3 1 0 h后的 T9 1钢高温再热器 管段进行取样 、 磨制并抛光后， 采用 4 硝酸酒精 溶 液浸 蚀 ， 在蔡 司 AXI OVE R T 2 0 0 MAT金相 显 微镜下进行观察 ， 检验依据为 GB ／ T 1 3 2 9 9 1 9 9 1 收稿 日期 2 0 1 0 0 31 8 作者简介 张晓昱 1 9 7 1 ， 女 ， 高级工程师 ， 主要从事电力系统 高温金属部件失效分析及寿命评价 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 锅 炉 技 术 第 4 2卷 钢 的显微 组织 评定 方法 。 该批 T9 1钢运 行 1 ． 3 1 0 h后 ， 其 金相 组织 为马氏体的高温回火组织 ， 仍保持较明显的马氏 体位 向特 征 ， 见 图 1 。 图 1 T9 1钢 运 行 1 ． 31 0 h后 微 观组 织 5 0 0 火 力 发 电机 组 受 热 面 管 在 运 行 过 程 中 由于 受到蒸汽介质作用 ， 在管子 内壁会形成一层致密 的氧化皮。氧化皮的传热热阻较大 ， 阻隔了蒸汽 介 质 与管壁 金属 的 热量 交 换 ， 从 而导 致 管 壁 金 属 温 度升 高 ， 而温度 升 高 又加 速 了其 氧 化 过程 。对 本批 T 9 1 钢 内壁 氧化 皮测 定 ， 其最 大 厚度 已达 到 1 5 5 ． 2 ff m， 见 图 2 。氧 化 皮 的增 厚 与 超 温 的形 成 紧密相联 ， 它 是导 致 管子 蠕 变 失效 或 过 热 爆 管 的 重要 因素之一 。 图 2 T9 1 钢 内壁氧化皮 1 0 0 3 ． 2 透 射 电镜 观 察 T E M 对该 批 T9 1钢取 样并 抛 光减 薄 ， 进行 透 射 电 镜观 察 ， 实 验 仪 器 为 J E M一 2 0 1 0电子 显 微 镜 。管 样的微观亚结构特征为 基体 中仍保持板条马氏 体 的特征 ， 马 氏体 板条 宽度 约 0 ． 5 ～ O ． 6 ff m， 部分 区域 板条 发 生 了 高 温 回复 ， 呈 现 出 多 边 化 趋 势 ， 局部 区域 仍有 位错 网特 征 ； 碳 化物 粒 子 在 板 条 内 或板 条界 析 出 ， 多呈 短 条形 ， 长度 在 0 ． 3 ～0 ． 6 m 左右 ， 分别 见 图 3 ～4 。 图 3多边化马氏体位错 颗粒状碳化 物 5 0 0 0 0 图 4晶界 处 碳 化 物 5 0 0 0 0 相 关 资 料 表 明 _ 1 ] 碳 化 物 M 。 C 。 的 Os t wa l d 熟化是导致 材质宏观性能降低 的重要 原因。透 射 电镜观 察表 明 ， T9 l钢 原 始 管 样 中 M 。 C 类 碳 化物 颗粒 的尺 寸约 为 0 ． 3 m， 该批 运 行 约 1 ． 3 1 0 h后 的管样 中碳 化物 颗粒 有一 定 的粗化倾 向， 最大 尺寸 为 0 ． 6 ff m。 4材 质 短 时性 能 4 ． 1常温 拉伸 试验 为全 面掌 握 该 批管 段 常 温力 学 性 能 状 况 ， 对 高温再 热器运行温 度较 高 的外 一排 进行 了性 能普 查 ， 试验依 据 G B ／ T 2 2 8 2 0 0 2 “ 金属材料 常温拉伸试 验方 法 ” ， 加 载 位 移 速 率 2 m m／ mi n ， 试 验 结 果 见 图 5 。 夹持端 图 5 常温拉伸取样 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 张晓昱 ， 等 长时高温运行后火力发 电机组 T9 1钢受热面管寿命评价 4 3 7 4 5 7 0 5 i 磐 蓝． 6 6 5 6 2 5 ． ＼ 、 ， 5 l 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 取样位 置 从炉左 到炉右排数 图 6 常温力学性 能分 布曲线 根 据 实 验 结 果 并 对 比 以往 历 次 大 修 常 温性 能数据 ， 表明运行 1 ． 3 1 0 h后其常温拉伸强度 仍保持较高值 。 表 2 不 同运行 时期 T 9 1 钢 常温 性能 一览 4 ． 2 短 时高 温拉 伸试 验 高温拉伸参照 GB ／ T 4 3 3 8 2 0 0 6 “ 金属材料高 温拉伸试验方法” ， 采用弧形试样 ， 保留试样原始 表 面状态 ， 测试 温度 为 6 0 0℃ 、 6 2 5℃ ， 试 验 结 果 见表 3 。同历 次 大 修 取 样 数 据 对 比 ， 该 再 热 器 管 高温拉伸强度仍保持较高值 ， 说明运行 1 ． 3 x 1 O h后 T9 1钢仍保持较高的高温力学性能。 夹持端 图 7 短时 高温 拉伸取样 图 表 3 短时 高温 拉伸 力 学性能 5 长 时高温 性能试 验 5 ． 1检 验方 案 试 验采用等温线法进行， 试 验温度选取 6 0 0 ℃ ， 采用弧形试样。在 RD 2 - 3型高温拉力蠕变及 持久 强度试 验机上 进行 恒载 荷持 久试 验 。试样 计 算长 度上绑 扎 2根 Ni C r - Ni S i 热 电偶 ， 测定试样 的 温度波 动和温度梯度值 ， 以保证控温精度 ≤ 3 ℃ ， 温 度梯 度≤ 3℃ 。试验机 负荷 精度 在 0 ． 5 ～ 0 ． 8 9 ／ 6 。初始应力水平根据初步试验结果而进行 选取 ， 采用 瓦片状试样 ， 取样 图参见 图 8 。 其余 8 m 5 1 0 ．0 5 B 厂 J ＼ 一 l y r 、 1L ， ■ ＼ ．， 圆 _ ～ 厂 f 。 l 、 l 80 ’ - 50 18 30 l 一 ● 一 1 4 6 图 8 持久试样 取样 图 5 ． 2 持 久 断裂试 验 6 0 0℃初始 应力 选取 2 4 0 MP a ～ 1 1 0 MP a ， 测 试结 果见 表 4 ， 应力 l g a和蠕变 断裂 时 间 l g T的关 系见图 9 。短时拉伸力学性能试验表明 1号样的 强度略低于 2号样 ， 因此， 对 1 号试样进行 1 ． 0 1 0 h 、 2号试样进行约 3 ． 0 x1 0 。 h的持久试验 。 表 4持 久强 度试 验结 果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 4 锅 炉 技术 第 4 2卷 2 ．4 2 ．3 2． 2 ． 宝 2 ．1 2． 0 1． 9 0 ．0 0 ．5 1 ．0 1 ．5 2 ．0 2 ． 5 3 ．0 3 ．5 4 ．0 4．5 5 ．0 l o g T 图 9 应力 l g a和蠕变断裂时间 l g T线性关系 图 5 ． 3采用等温线法外推持久强度极限 利用等温线外推法可求得持久强度极限， 在 给定 的温度 下 ， 应 力 和断 裂 时 间 r 之 间 的经 验公 式 为 r Aa 一 1 两 边取 对数 ， 并令 l o g g ， z l o g r ， 1 1 n B 1 o g A ， b 一 一 吉 上 式 简化 为标 准直 线 方 程 Ya b x， 使 用 最小 二 乘 法 进 行 拟 合 ， 即 可 得 到 外 推 趋 势 线 方 程 ， 见 表 5 。 表 5持 久强度 试验 结果 从表 5中可得 出 ， 1号试样 、 2号试样 的 1 ． 0 1 0 h的 持 久 强 度 数 据 分 别 为 8 9 ． 6 MP a 、 9 3 ． 7 MP a。参 考 G B 5 3 1 0 2 0 0 8中对 1 0 C r 9 Mo l VNb N 钢出厂状态下的 d 要求是不小于 9 3 gP a ， 1号 试样计算结果略低于标准值。 5 ． 4 剩余 寿命 评估 按照 D L ／ T 5 0 5 4 1 9 9 6 “ 火力 发 电厂汽水 管道 设计 技术 规定 ” 标 准 规定 ， 钢材 的许 用应 力 ， 应 根 据钢材的有关强度特性取下列 3 项 中的最小值 E o l l 一 号 20 ；[ 一 卷；E a -l S 一 一 2 O 式中 常温抗拉强度最小值 ； 0 “ 0 ．2 设计温度下屈服极限最小值 ； 由于本 文 试 验 中所 得 到 的 强 度 值 为 抽 样 试 验 值 ， 按照 G B 9 2 2 2 1 9 8 8 “ 水 管 锅 炉 受 压 元 件 强 度计算” 中对抽样试验 的要求， 要将试验所得 、 的最小值及 1 ． 0 1 0 h持久强度的平均值乘以 0 ． 9 0作为计算取用值 。 根据试验数 据， 计 算结果 为 E o ] [ ] E o ] ， 因此在 6 0 0℃下该 T9 1钢材的许用应力取 值为 1号试 样的许用应力 [ d ] ℃一5 9 ． 7 MP a ， 2号试样[ a ] 。 。 ℃一6 2 ． 4 MP a ； 考虑 0 ． 9修正 1 号 试样的许用应力[ d ] 。 。 ℃一5 3 ． 4 MP a ， 2号试样 的 许用应力为[ d ] 。 。 ℃一5 6 ． 2 MP a 。 表 6列 出 了 T9 1钢 在 不 同温 度 下 的许 用 应 力 ， 6 0 0℃ 壁 厚 ≤ 7 5 mm 管 子 的 许 用 应 力 为 6 5 MP a ， 1号试 样 、 2号 试样 的许 用 应 力 值 已经 低 于 新 管材 取 用 的 许 用 应 力 值 。相 对 于 新 管 材 许 用 应力 分别 下 降 了 8 ． 1 5 、 4 ． 1 7 。 表 6 AS ME - 2 0 0 7规 定 T 9 1 许 用应 力 温 度 ／ ℃ 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 根 据 D L ／ T 6 5 4 1 9 9 8 火 电厂 超 期 服役 机 组 寿命评估技术导则 对 以蠕变为主要失效方式的 部件 ， 可利用等温线外推法进行寿命评估 。 根据材料的持久强度 曲线 r A0“ _ ‘ 。 ， 当令 r 一 1 ． 0 1 0 h 、 r 2 1 ． 0 1 0 h 、 r 3 为 口 3 一 下 的 断裂 时 间 ， 、 分 别 为 r 、 r 所 对 应 的 持 久 强 度 ， 则 l g 1 l g Z 3一 - o 0 “ 1 0 4 2 l g l g 0 一 “1 0 4 对于 直管 段 的剩 余 寿 命 ， 直 接 采 用持 久 强 度 外推 校核 ， 应力 的安 全系 数 为 1 ． 5时 ， 考虑持 久 强度 数 据 分 散 性 取 一 1 0 、 一 2 O 的下 限 时 ， 对 于 5 1 mlT l 4 mm 公 称 规 格 ， 6 0 0℃ 当量 壁 温 、 2 ． 4 MP a 下的蠕变剩余寿命计算结果见表 7 。 表 7评 估结 果 设 计温度 下 1 ． O X I O h持久 强 度 6 平 均值 。 综合评估 对 比 T9 1钢在 实 际 工 况 下不 同运 行 时 间性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 张晓昱 ， 等 长时高温运行后火力发 电机组 T9 1钢受热面管寿命评价 4 5 能数据可看出， 运行 1 ． 3 1 0 h后的兴泰发电有 限责任 公司号 9炉高温再热器管常温及高温强 度仍保持较高值 。微观组织方面， 其金相组织为 马氏体的高温回火组织 ， 但仍保持马氏体的位 向 特 征 ， 组织 显现 出轻 度 老化 特 征 。透射 电镜 观 察 结果表明， 管样 的基体 中仍保持板条 马氏体 的特 征 ， 马 氏体板条宽度约 0 ． 5 ～0 ． 6 m， 部分区域发 生 了高温 回复 ， 呈 现 出多边化趋 势， 局 部区域有 位错网的特征 ； 碳化物粒子在板条内或板条界析 出， 多呈短条形 ， 长度在 0 ． 3 ～o ． 6 m左右 ， 长时 运行 后 T9 1钢 碳 化 物 颗 粒 有 一 定 的粗 化 倾 向 。 与此同时基体亚结构 的部分区域 中的位错 网有 利于延缓碳化物粗化 的速率。短时结果表明， 该 批管段性能仍优于标准要求 ， 微 细组织强化效果 明显 。 根据长时得到的试验数据 ， 该批管样许用应 力值 已经低于新管材取用 的许用应力 值， 相对于 新 管 材 标 准 许 用 应 力 分 别 下 降 了 8 ． 1 5 、 4 ． 1 7 。该取 样 管运行 1 ． 3 1 0 h后 ， 当 以蠕 变 为主 要失 效方 式 时 ， 当量温 度 6 0 0℃ 、 再 热蒸 汽参 Li f e As s e s s me nt o f 数 2 ． 4 MP a下， 取安全系数 为 1 ． 5 ， 采用持久强 度等温线外推法校核 ， 其剩余寿命 大于 1 ． 0 1 0 h 。该 批 T9 1钢可继 续 安全运 行 。 参考 文 献 [ 1 ]于显龙 ．锅 炉管 剩余 寿命预 测E J ] ．发 电设 备， 1 9 9 7 1 1 1 2 7 4 7 5 ． [ 2 ]朱丽慧， 赵钦新 ， 等 ．新型耐热钢 T9 1的蠕变断裂寿命估算 ． F J ] ．锅炉技术 ， 2 0 0 2 5 2 4 2 7 ． E a ] 火 力 发 电 厂 金属 材 料 科 手 册 [ M] ．北 京 中 国电 力 出 版 社 ．2 0 01 ． E 4 ]董强 ．管 内壁氧化皮测厚技术 在预 防锅炉高 温过热器爆 管 中中的应用E J ] ．热力发 电， 2 0 0 3 5 2 2 2 4 ． [ 5 ]S TR AN G A ，VODAR E K V．Mo d e l l i n g a n d e x p e r i me n t a l v e r i f i c a t i o n o f mi n o r p h a s e c o m p o s i t i o n c h a n g e s i n c r e e p r e s i s t a n t 1 2 Cr Mo VNb s t e e l s [ c ] ．P a r s o n 2 0 0 0 Ad v a n c e d Ma t e r i a l s f or 2 1 t h Ce n t u r y Tu r bine s a n d P o we r Pl a nt ， 2 0 0 0 5 7 2 5 8 9 ． E 6 ]Do n g J i l i n g ， e t a 1 ．Mi c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o n u p o n c r e e p r u p t u r e t e s t o f 9 Cr c a s t i n g s t e e l d e s i g n e d f o r USC p o we r p l a n t s ． S c h o o l o f Na n o a n d Ad v a n c e d Ma t e r i a l s [ C ] ．C h a n g wo n Na t ion a l U n i v e r s i t y，Ch a n g wo n ． 1 St e eI He a t Tr a n s f e r Tu b e s o f F o s s i I ． f i r e d P o w e r Uni t Af t e r L o n g- Ti me Op er a t i n g a t Hi gh Te mp er a t u r e Z HANG Xi a o y u ， OU Ya n g j i e ， KE Ha o ， S UN Ta o ， ZHAO Ya n f e n 1 ．He b e i El e c t r e c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e S h i j i a z h u a n g，0 5 0 0 2 1 Ch i n a ； 2 ． S u z h o u Nu c l e a r P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e S u z h o u．2 1 5 0 0 4 Ch i n a Abs t r a ct T9 1 s t e e l he a t t r a ns f e r t ub e s o f f os s i l f i r e d po we r un i t a f t e r 1 3 0 t ho u s a nds hou r s o pe r a t i ng a t hi gh t e m p e r a t u r e wa s r e s e a r c he d b y m e a ns of mi c r o s t r uc t r u e a n a l ys i s 、 no r m a l me c h a ni c a l p r op e r t y a n a l y s i s a nd hi gh t e mpe r a t ur e c r e e p r u pt ur e t e s t i n t h i s p a pe r ． Re ma i ni n g l i f e wa s c a l c u l a t e d b y m e a n of e x t ua p ol a t i o n me t ho ds ba s e d o n i s o t h e r m a 1 c u r v e a n a l y s i s ． Th i s h a s p r o v i de d t e c h n i c a l a s s u r a n c e f o r T9 1 s t e e l a n d wi l l p l a y i mp o r t a n t r o l e s o n l i f e m a n a g e me nt o f T9 1 s t e e l a f t e r l o ng t i me op e r a t i ng a t h i gh t e m pe r a t u r e ． K e y w o r d s l on g t i me op e r a t i ng；T9 1 s t e e l ； c r e e p r up t ur e p r o p e r t y；l i f e a s s e s s m e nt 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m