火电厂蒸汽母管材料老化典型案例分析

（泰安市特种设备检验研究院 泰安 271000）

近年来，热电联产锅炉以及企业自备电站锅炉蒸汽管道发生多次事故，对国家和社会造成较大的经济损失和社会影响。为此，市场监管总局于2018年7月2日下发《关于开展电站锅炉范围内管道隐患排查整治的通知》（市监特函515号文）。本文重点对检验中发现的电厂蒸汽母管材质老化现象进行分析并提出相应处理措施。

1 情况概述

热电联产锅炉以及企业自备电站锅炉多为高温、高压及以下锅炉，其蒸汽母管一般选用碳钢或低合金钢材料。很多机组运行时间已达10万小时以上，在长期高温高压下运行，蒸汽母管材料呈现出不同程度的珠光体球化或石墨化等老化现象。但目前对材料老化程度的监督还存在以下问题：

1）多数电厂检测力量不足、检测设备缺乏，且长期不间断运行，造成金属检测技术不到位，甚至做不到，无法对材料老化程度做出足够的判断。

2）个别电厂会委托相关检测公司特别是无损检测公司进行金相检查。很多检测公司人员业务能力参差不齐，有些只是经过简单的培训就上岗，难以对金相组织做出准确判断。

针对上述情况，依据TSG G7002—2015《锅炉定期检验规则》及市监特函［2018］515号文件要求，本次排查中重点对电厂蒸汽母管进行了金相分析，具体表现在以下几个方面：

1）同等材料运行时间越长，老化程度越严重。

2）同等材料使用温度越高，老化程度越快。

3）同一管道，流速快的位置比流速慢的位置或者管道盲端老化程度严重。

4）三通、弯头（管）背弧面等部位及焊缝热影响区比直管段老化程度严重。

5）运行10万小时以上的蒸汽母管中近50%的管道局部出现严重的珠光体球化现象（达5级），部分碳钢管道甚至已经石墨化。这些材料老化现象，对母管安全运行造成很大的隐患。

2 典型案例及分析

金属材料是火力发电厂机械设备的重要材料， 各类金属材料都有一个共性：在高温、高压力的恶劣条件下长期运行时， 金属的性能与室温性能差别很大。主要是因为金属内部的组织发生很大的变化， 比如珠光体球化、石墨化、合金中碳化物的数量和结构发生变化等[1]。现就检验中发现的金属材料珠光体球化、石墨化等案例进行具体分析。

2.1 12Cr1MoV钢珠光体球化分析

●2.1.1 资料查阅

某热电联产电厂蒸汽母管投运日期2002年3月，设计材质12Cr1MoVG， 管道规格φ273mm×18mm，运行温度540 ℃，压力9.8 MPa，累计运行15万小时。

●2.1.2 检验情况及分析

1）检验情况。对蒸汽母管一处弯管背弧面进行金相分析，参照DL／T 773—2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，珠光体球化达5级，组织中珠光体区域形态已完全消失，粒状碳化物沿晶界呈链状分布，出现双晶界现象，金相组织见图1。在弯管水平直段处，珠光体球化3级，金相组织见图2。

对弯管背弧面及其水平直段处进行硬度检测，每处测5点取平均值，硬度值见表1。

2）原因分析及影响。12Cr1MoV钢基本组织是珠光体+铁素体组织，其中珠光体是铁素体与渗碳体相互间夹组成的片状混合物。由于片状碳化物比表面积相较于球状碳化物比表面积大，片状碳化物的表面自由能大于球状碳化物的表面自由能。由能量最低原理可知，“能量越低，越稳定”，片状碳化物的组织不稳定，会通过组织结构转变来降低其能量[2]。在高温下运行时，原子活动能力增强，扩散速率加快，片状渗碳体便逐渐转变为粒状，再积聚成大球团，造成珠光体球化，如图3所示。

图1 弯管背弧面金相组织图 ×500

图2 弯管水平段金相组织图 ×500

表1 硬度测量值

由金相分析及硬度检测结果可见，弯管背弧面老化程度比直段更严重。主要在于弯管煨制加热时，由于中频感应加热的“集肤效应”，造成管壁存在温度梯度，温差较大，背弧面珠光体分布不均匀，合金元素分布不均匀， 组织稳定性降低，珠光体易于分解。经长时间高温运行后，组织中原珠光体形态已完全消失，绝大部分碳化物分布在铁素体晶界上，在铁素体晶界上可观察到双晶界现象[3]。导致材料的硬度、屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降，由表1可见，弯管背弧面硬度下降严重，低于GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》及DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》中12Cr1MoVG钢管硬度指标（135～195HB）下限要求。试验表明，12Cr1MoVG钢珠光体球化5级后，力学性能大幅降低，见表2[4]。

图3 珠光体球化示意图

表2 12Cr1MoVG钢铁素体加珠光体球化级别对应的力学性能(平均值)

依据DL/T 940—2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》及DL/T 654—2009《火力机组寿命评估技术导则》，采用L-M参数方程对弯管进行剩余寿命评估，其剩余寿命约2511h，基于安全运行及经济考虑，使用单位对其割除更换。

此类球化严重的管道高温高压下使用，材料性能降低，严重时会导致管道爆裂，对电厂设备安全运行造成很大的威胁，使用单位应及时做好管道的金属技术监督及定期检验，对管道进行剩余寿命评估，必要时更换管道，避免安全事故的发生。

2.2 20G碳钢珠光体球化及石墨化分析

●2.2.1 资料查阅

某热电联产电厂蒸汽母管投运日期1990年2月，设计材质20G，管道规格φ273mm×11mm，运行温度440～450℃，压力3.82 MPa，累计运行17万h。

●2.2.2 检验情况及分析

1）检验情况。母管一处三通位置，宏观检验发现存在鼓胀现象，如图4所示。对其进行金相分析，参照DL/T 674—1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》以及DL/T 786—2001《碳钢石墨化检验及评级标准》，珠光体球化达5级，石墨化程度达2.5级。组织中珠光体形态消失，石墨球较大，局部石墨球呈链状分布，部分石墨球存在连续性分布，石墨化介于2级～3级之间，金相组织见图5。

图4 三通外观图

图5 三通金相组织 ×500

对三通母材进行硬度检测，每处测5点取平均值，硬度值见表3。可见硬度也明显下降，低于标准及规程中20G管件硬度指标（106～160 HB）下限要求。

2）原因分析及影响。碳钢材料珠光体球化机理与合金钢材料相似，上文已进行了阐述，20#钢球化级别对应的力学性能见表4[5]。可见珠光体球化5级后，力学性能已降低了很多。

表3 三通母材硬度测量值

表4 20#钢球化级别与其常温性能的相应数据(平均值)

由于碳钢材料中没有合金元素的固溶强化、沉淀强化、弥散强化等因素，珠光体中的渗碳体作为亚稳相，复杂的斜方结构，在长期高温的作用下分解，如下式：

Fe3C→3Fe+C （石墨）

渗碳体分解出游离态的碳，并逐渐以石墨形式析出的现象称为石墨化，在高温（T≥350℃）下长期服役的碳钢部件均有可能产生，温度越高，石墨化速度越快[6]。游离态的碳不断扩散、聚集，形成粗大连续的石墨链，割裂了基体的连续性，起了裂纹的作用，造成钢材内部应力集中，强度低、塑性差，同时因石墨强度极低， 极易引起脆断， 因此会严重影响管道的安全性能。

碳钢管道珠光体球化和石墨化密切相关， 二者在相互重合的温度范围内存在着竞争关系，试验证明二者不是同步进行的[7]。

依据TSG G7002—2015《锅炉定期检验规则》要求，当碳钢部件石墨化程度达到4级以上时，应对相关部件及时安排更换。但涉及具体管道，还应充分考虑到珠光体球化与石墨化程度对材料性能的综合影响，二者的共同影响下，加快了材料的蠕变，甚至导致管道爆裂。对该三通经评估分析，为确保安全，使用单位进行割除更换。对于碳钢材料剩余寿命评估可依据DL/T 940—2005及DL/T 654—2009，通过进一步的力学性能试验，对管道可使用性做出准确的判断，达不到要求时及时更换，确保设备安全运行。

3 结束语

通过本次排查，在管道结构、焊接质量、材质成分、硬度、金相组织、阀门等方面均发现了影响安全运行的一些隐患，特别是在材料老化方面尤为明显。综合以上案例分析，得出以下几点启示：

1）金属材料在长期高温高压下运行，会出现不同程度老化现象，使材料力学性能降低，特别当老化严重时，会导致材料力学性能大幅下降，给设备安全运行造成威胁。

2）蒸汽母管各部位因原始组织、受力状态、流速、温度等的不同，老化程度也不一样。金相抽查时，应特别关注易老化位置，如三通、弯管背弧面及焊缝热影响区等薄弱部位。

3）火电厂应及时对设备进行金属技术监督及定期检验，准确掌握材料老化程度，必要时对其进行剩余寿命评估，确保电站锅炉的安全运行。

4）金属材料组织老化程度的判定与分析，需要具备较强的专业基础和经验积累。金相分析人员应通过不断培训、学习及交流等方式，努力提高业务能力，对材料老化程度做出准确的判断和分析，为材料性能研究及剩余寿命评估提供可靠的依据。