P91管道寿命评估

李春祥1，杨鹏展2，杨,勇2

摘要：火力发电厂锅炉的主蒸汽管道大多是P91材质，因此P91材质的寿命评估对电厂的安全运行有重要的参考价值。本文以国内某电厂主蒸汽管道为研究对象，通过现场检测及微创取样分析，对其进行寿命评估。现场检测对主蒸汽管道及焊缝进行壁厚校核、内压应力计算、硬度测定、残余应力测试及金相试验。根据测得的数据以及主蒸汽管道的运行参数，进行理论剩余寿命的计算。通过现场检测，选取主蒸汽管道典型部位和常规部位分别做微创取样。二者进行力学及组织性能试验，通过室温拉伸、高温拉伸、高温蠕变等强度测定，整体进行寿命评估并做对比。

关键词：主蒸汽管道；微创；残余应力；寿命评估

中图分类号:TG文献标志码: [J].     文章编号: 0254-6051(2013)

P91 Pipeline Life Assessment

Chunxiang Li1，Pengzhan Yang2，Yong Yang2

(1. Shaanxi Guohua Jinjie Energy Corp.  Yulin city, Shaanxi province 7190003, China;

2. Tianjin creative-thinking testing technology Co. LTD.  Tianjin 3003843, China)

Abstract: The main steam pipes of boilers in thermal power plant are mostly made of made of P91 material. Therefore, the life assessment of P91 material has important reference value for the safe operation of electric power plants. This article takes the main steam pipeline of a domestic power plant as the research object. Conduct a life assessment of it through on-site testing and sampling analysis. On site inspection for wall thickness verification, internal pressure stress calculation, hardness measurement, residual stress testing, and metallographic testing of the main steam pipeline and welds. According to the measured data and the operating parameters of the main steam pipeline, the theoretical residual life is calculated. Through on-site testing, select typical and conventional parts of the main steam pipeline for minimally invasive sampling. Through the strength determination of room temperature tensile test, high temperature tensile test and high temperature creep test, the whole life is evaluated and compared.

Keywords: Main steam pipeline；minimal invasive；Residual stress；life assessment

1. 引言

目前，国内大型电站锅炉长期处于高温高压环境下长时间运行，存在不同程度的各类问题。压力管道由于长时间处于高温高压的运行环境，使得金属材料各方面性能逐步下降，成为火电厂安全生产的主要隐患。金属材料性能一旦降低，可能引起压力管道漏气、爆炸等问题，危险系数极高，严重影响电厂的安全运行。为了保证机组的安全运行，就要保证压力管道在使用寿命内服役于机组。因此，对于压力管道的寿命评估也变得越来越重要。

亚临界机组是目前世界上大多数火力发电厂的主要装机类型之一，蒸汽参数约为535 ~ 540 ℃，压力约为14 ~ 22.2兆帕（MPa），主蒸汽管道使用材质大多为P91，是具有高温高压的压力管道用材。而主蒸汽管道承受着这么高的温度和压力，一旦出现寿命问题，就可能发生管道爆裂等情况，酿成重大事故，所以必须采取合适的技术手段对管道剩余寿命进行评估，这一点尤为重要。

主蒸汽管道寿命预测方法也在逐渐发生变化，从综合分析法转向以蠕变变形量为主要指标的θ法转变，从以蠕变变形量为主要指标的θ法转向由θ法发展而来的C射影法，之后又出现了蠕变曲线逐步外推法【1】。主蒸汽管道长期处于复杂变化的载荷作用下，其受到的应力也多种多样，经过整理大致包括以下几种：轴向应力，弯曲应力，周向应力，径向应力，剪应力【2】。本文主要针对某电厂主蒸汽管道常用的P91管材，通过壁厚校核、计算内压应力后计算出理论剩余寿命，再通过现场检验及残余应力的计算判断是否有低于标准范围要求的管段，最后通过微创取样的方法，取正常管段以及不合格管段的试样，经过室温拉伸性能、高温拉伸性能、测定硬度、测量蠕变持久、计算持久强度等多种力学性能以及对金相组织的微观分析评定，进行不合格管道的壁厚重新校核及寿命评估。

2. 主蒸汽管寿命评估

某电厂主蒸汽管道材质为 A335P91，某运行段规格ID342.9 ×35.5；机组从投产至今累计运行117729.68小时，历经2次A修、8次C修。主蒸汽管道参数如下表1；

表1. 主蒸汽管道主要参数

Table 1  Main parameters of the main steam pipeline

部件名称	材质	编号	规格	设计温度(℃)	设计压力(MPa)	工作温度(℃)	工作压力(MPa)
主蒸汽管道	A335P91	#1	ID342.9×35.5	538	17	540	17

根据据DL / T654-2009《火电机组寿命评估技术导则》和DL / T940-2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》的要求，对于机组主蒸汽管道进行了资料收集、现状检查，并且对主蒸汽管道进行了微观状态评估及力学计算。主蒸汽管道采用的评估方法见表2所示。

表2 主蒸汽管道评估方法

Table 2  Evaluation method for main steam pipeline

序号	部件名称	评估方法
		微观状态评价	应力解析法	取样试验分析
1	主蒸汽管道	√	√	√

2.1 主蒸汽管道理论剩余寿命的计算

2.1.1主蒸汽管道壁厚校核

主蒸汽管道壁厚校核结果如表3所示。

表3.主蒸汽管道壁厚校核结果

Table 3  Verification Results of Main Steam Pipeline Wall Thickness

部件名称	材质	编号	规格	管道公称壁厚(mm)	最小许用壁厚(mm)	实测直管最小壁厚(mm)	实测弯头（弯管）最小壁厚(mm)
主蒸汽管道	A335P91	#1	ID 342.9×35.5	35.5	27.1	37.1	44.3

由上表可追，管道实测最小壁厚均大于管道最小许用壁厚，故壁厚符合要求。

2.1.2主蒸汽管道内压应力计算

主蒸汽管道内壁压应力计算结果如表4所示。

表4.主蒸汽管道内壁压应力计算结果

Table 4  Calculation results of pressure stress on the inner wall of the main steam pipeline

部件名称	材质	编号	规格	内压折算应力σeq(MPa)	环向应力 σθ(MPa)	弯头部位环向应力σθmax(MPa)	应力最大值 σ(MPa)	应力最大位置
主蒸汽管道	A335P91	#1	ID342.9×35.5	75.97	78.19	63.16	78.19	直管

主蒸汽管道应力最大位置为直管的环向应力，相同承压下，理论上直管最易发生蠕变。

2.1.3 主蒸汽管道理论剩余寿命计算

主蒸汽管道理论剩余寿命计算均采用公开资料数据，理论计算方法采用L-M参数法。计算结果如表5.

表5.主蒸汽管道理论剩余寿命计算结果（L-M参数法）

Table 5  Calculation Results of Theoretical Remaining Life of Main Steam Pipeline

部件名称	材质	编号	规格	P(σ)	兰氏温度 （°R）	理论计算断裂时间(h)	已运行时间(h)	剩余寿命(h)
主蒸汽管道	A335P91	#1	ID342.9×35.5	30760	1463.7	6760829.75	117729.68	大于10万

通过以上数据计算可知，主蒸汽管道在当下条件的理论剩余寿命大于10万小时。

2.2 主蒸汽管道现场检验及残余应力测试

2.2.1主蒸汽管道理化及无损现场检验情况

此次评估过程中，利用宏观检查、理化检验和无损检测等手段，对机组主汽管道的多个焊口及弯头进行厚度、磁粉、超声、硬度、现场金相、蠕变、椭圆度方面的检验，无损及金相检验结果发现：

（1）锅炉侧某弯头硬度（最低值151）不符合标准DL / T 438-2016的要求。标准规定P91材质的管件硬度值合格范围为180 ~ 250 HBW。

（2）对此主蒸汽弯头金相组织分析，弯头正背弧金相组织为回火马氏体+铁素体+碳化物，马氏体位相趋于消失。老化评级：4.5级。

由此可知，此主蒸汽弯头硬度已低于正常运行范围，组织也已老化。

2.2.2主蒸汽管道及焊缝残余应力测试

主蒸汽管道的工作温度、管道局部的应力集中情况、管道的平均应力和管道承受载荷的变化频率是决定主蒸汽管道材料疲劳强度特性的主要因素。管道的平均应力值越高，同等应力下，材料的疲劳强度越低，疲劳寿命越小【3】。随机选取机组主汽管道及焊接接头中4个位置（直管2点，焊缝处2点）采用X射线法进行残余应力测量，测量结果见表6。

表6. 主蒸汽管道及焊接接头残余应力测量

Table 6  Measurement of residual stress in main steam pipelines and welded joints

序号	测量方向	测量位置	测量值MPa			平均值
1	垂直于焊缝	点位3	286	285	288	286.3
2		点位6	288	291	291	290
3		点位9	290	289	292	290.3
4		点位12	273	270	272	271.7
备注	X射线法残余应力测数值仅为参考值

4个位置的全二维X射线残余应力测试云图如图1所示。

       

       

图1 全二维残余应力测试云图

(a)3-1;(b)3-2;(c)3-3;(d)6-1;(e)6-2;(f)6-3;(g)9-1;(h)9-2;(i)9-3;(j)12-1;(k)12-2;(l)12-3;

Fig.1  Full two-dimensional residual stress testing cloud map

(a)3-1;(b)3-2;(c)3-3;(d)6-1;(e)6-2;(f)6-3;(g)9-1;(h)9-2;(i)9-3;(j)12-1;(k)12-2;(l)12-3;

由上述测量数据可知，4个位置测试数据基本稳定，所有残余应力测试结果均为压应力，不同位置压应力分布差异不大。

综上所述，通过理论计算及现场检验数据的对比可知，某电厂主蒸汽管道剩余寿命仍超过10万小时，但其中锅炉侧某弯头硬度已低于电力标准中运行所需要的最低值，说明该弯头在运行过程中的温压条件及应力值等与其余管道并不一致，用理论温压值等计算出来的剩余寿命也并不适用，因此需要取样进行寿命评估。

2.3主蒸汽管道取样力学及组织性能试验

针对锅炉侧主蒸汽管道低硬度弯头区域进行微创取样并进行寿命评估，同时选取汽机侧主汽三通区域（硬度正常）取样比对分析。

2.3.1试验内容

（1）符合标准要求硬度试样（1号试样）：化学成分、布氏硬度、金相、室温拉伸、高温拉伸、高温持久；

（2）低硬度试样（2号试样）：化学成分、布氏硬度、金相、室温拉伸、高温拉伸、高温持久；

注：（a）符合标准要求硬度试样取自汽机侧主汽三通区域；

（b）低硬度试样取自锅炉侧主蒸汽管道低硬度弯头区域，详见图2。

图2 试验原始取样材料

（m）

Fig 2  Original sampling materials for testing

（m）

2.3.2试验条件

（1）高温拉伸试验温度：540 ℃；

（2）高温持久试验温度：540 ℃；四个试验应力水平分别为：160 MPa、140 MPa、130 MPa、120 MPa；

（3）试样尺寸：M 6×Φ 3。

2.3.3 试验设备及依据

取样的试验项目、试验设备及对应的方法依据见表7。

表7  试验项目、试验设备及对应的方法依据

Table 7  Test items, test equipment, and corresponding method basis

检测项目	使用设备	检测方法依据
化学成分	斯派克直读光谱仪	DL/T 991-2006 电力设备金属光谱分析技术导则
金相组织	蔡司Axio Observer金相显微镜	GB/T 13298-2015 金属显微组织检验方法
硬度检测	岛津维氏硬度计HMV-G	GB/T 4340.1-2009 金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法
室温拉伸	岛津AG-X plus ODM试验机	GB/T 228.1-2010 金属材料拉伸试验第1部分
高温拉伸	三思万能试验机	GB/T 228.2 金属材料拉伸试验第2部分高温试验方法
高温持久	微创蠕变持久试验机	GB/T 2039-2012 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法
残余应力	X射线残余应力分析仪	JSMS-SD-5-02

2.3.4 试验结果

2.3.4.1 化学成分

1号试样和2号试样化学成分都满足GB 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》要求，详见表8。

表8.  1号试样和2号试样化学成分结果（wt%）

Table 8  Chemical Composition Results of Sample 1 and Sample 2 (wt%)

试样编号	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Nb	N	P	S
1号试样	0.09	0.23	0.58	9.23	0.89	0.22	0.09	0.053	0.014	0.008
2号试样	0.10	0.27	0.41	8.81	0.92	0.19	0.06	0.024	0.011	0.006
GB5310	0.08- 0.12	0.20- 0.50	0.30- 0.60	8.00- 9.50	0.85- 1.05	0.18- 0.25	0.06- 0.10	0.030- 0.070	≤ 0.020	≤ 0.010

2.3.4.2 硬度试验

对1号试样和2号试样进行布氏硬度，硬度检测结果见表9。

表9.  1号试样和2号试样布氏硬度（HBW）

Table 9   Brinell hardness hardness of sample 1 and sample 2（HBW）

序号	边缘	中间	边缘	平均值
1号试样	200	210	195	201.6
2号试样	155	160	148	154.3
DL/T438 《火力发电厂金属技术监督工程》 要求P91钢母材硬度：180 ~ 250 HBW

2.3.4.3 室温拉伸性能

对取样材料制取M 6 × Φ 3室温拉伸试样，参照GB / T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和DL / T2363-2021《金属材料微型试样室温拉伸试验规程》进行室温拉伸试验,拉伸试验结果见表10所示。

表10.  1号试样和2号试样室温拉伸

Table 10. Room temperature stretching of sample 1 and sample 2

序号	1-1		1-2		1-3		平均值
	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)
1号试样	840	530	813	543	827	507	826	526
2号试样	518	367	551	396	496	348	521	370
GB/T5310	Rm≥585Mpa；Rp0.2≥415Mpa

2.3.4.4 高温拉伸性能

对取样材料制取M6×Φ3高温拉伸试样，参照GB / T4338-2006《金属材料高温拉伸试验方法》在540℃下进行高温拉伸试验,拉伸试验结果见表11所示。

表11.  1号试样和2号试样540 ℃高温拉伸

Table 11. High temperature tensile test at 540 ℃ for samples 1 and 2

序号	1-1		1-2		1-3		平均值
	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)	Rm(Mpa)	Rp0.2(Mpa)
1号试样	438	347	419	314	451	373	436	344
2号试样	311	182	323	190	307	179	313	183
GB/T5310	Rm -；Rp0.2≥270Mpa

2.3.4.5 金相分析

对1号试样和2号试样金相组织观察，依据DL / T884《火电厂金相检验与评定技术导则》和DL / T2219-2021《火力发电厂用10Cr9Mo1VNbN钢显微组织老化评定》对金相组织状态进行评定。检验和非金属夹杂物评级，并对金相组织进行老化评定。

（1）1号试样金相组织

图3  1号试样金相组织

（o）；（p）；

Fig 3  Metallographic Structure of Sample 1

（o）；（p）；

由图3可知,1号试样马氏体仍为板条状形态，部分板条位向存在发生轻微分散的迹象，试样组织老化级别评定为2 级。

（2）2号试样金相组织

因2号试样硬度和拉伸性能均不满足标准要求，对2号试样4个不同位置制取金相试样进行组织观察分析，不同位置金相组织图如图4所示。

图4  2号试样金相组织

（q）；（r）；（s）；（t）；

Fig 4  Metallographic Structure of Sample 2

（q）；（r）；（s）；（t）；

由图4可知,2号试样不同位置区域马氏形态存在差异，位置（q）和位置（r）的马氏体形貌完全消失，组织为铁素体加碳化物；位置（s）和位置（t）仅残留少量马氏体痕迹，马氏体板条位向严重分散。2号试样组织老化级别评定为4.5级。

2.3.4.6 高温蠕变持久试验

依据GB / T 2039-2012《金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法》试验标准，试验温度为540 ℃，采用等温法，选取4个应力，每个应力3个试样，对1号和2号取样试样进行高温持久试验。高温持久试验参数见表12，试验结果见表13和表14。

表12.  1号试样和2号试样高温持久试验参数

Table 12  High temperature endurance test data of sample 1

试验温度	试验应力	预计断裂时间		试样尺寸
		1号试样	2号试样
540 ℃	160 MPa	2000 h	500 h	Φ3
	140 MPa	5000 h	2000 h	Φ3
	130 MPa	8000 h	5000 h	Φ3
	120 MPa	1500 0h	7000 h	Φ3

表13  1号试样高温持久试验数据

Table 13  High temperature endurance test data of sample 1

试验应力	试样1断裂时间（h）	试样2断裂时间（h）	试样3断裂时间（h）
160 MPa	1860	2013	1532
140 MPa	4381	5106	3921
130 MPa	7968	8073	7846
120 MPa	14508	15563	14680
合计	87451 h

表14.  2号试样高温持久试验数据

Table 14  High temperature endurance test data of sample 2

试验应力	试样1断裂时间（h）	试样2断裂时间（h）	试样3断裂时间（h）
160 MPa	433	501	521
140 MPa	2304	2543	2208
130 MPa	5483	5756	4201
120 MPa	6856	6123	6349
合计	累计43278 h

在图5 蠕变规律曲线中能够知道，蠕变曲线上一点的斜率越大，表示此点处的蠕变速率越大，斜率越小，表示该点处的蠕变速率越小【4】。

图5 蠕变规律曲线

（u）；

Fig 5  Creep law curve

（u）

根据前面几组的取样力学性能测试可知，2号弯头试样无论从硬度、室温拉伸强度、高温拉伸强度、高温蠕变持久时间，都不如1号取样。

2.4 寿命评估

2.4.1持久强度计算：

用等温线法线性外推持久强度极限,在给定的温度下，应力和断裂时间τ之间的经验公式为：τ=Aσ-B

两边取对数，并令 y=logσ，x=logτ

上式简化为标准直线方程：y=a+bx

使用最小二乘法对试验结果进行拟合,拟合结果见表15。

表15  2号试样持久强度外推曲线参数及对应强度

Table 15  Extrapolation Curve Parameters and Corresponding Strength of Durable Strength of Sample 2

外推方程	相关系数	104小时外推持久强度	105小时外推持久强度
y=2.47073-0.09853x	0.9725	119.29	95.08

    图6  2号试样持久强度拟合曲线

（v）；

Fig 6  persistent strength fitting curve of sample 2

（v）

持久强度外推图如图6所示。根据持久外推曲线，得到了该管道在540 ℃下的1万小时持久强度为119.29 MPa，10万小时持久强度为95.08 MPa。

2.4.2 壁厚重新校核

10万小时持久强度（95.08 MPa）除以安全系数n（选中值寿命线）取1.5，得到相应材料的许用应力计算值（63.38 MPa）。

因得到的许用应力计算值小于许用应力标准取值，所以对相应管道壁厚按照持久试验所得许用应力计算值重新校核。

将管道许用应力计算值、工作压力等参数代入以下公式

计算得到管道最小许用壁厚（53.11 mm）,管道实测最小壁厚小于管道最小许用壁厚，故取样管道不满足壁厚校核要求。

2.4.3 主蒸汽管道取样的寿命评估

根据 DL / T 654-2009《火电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τ=Aσ-B，令τ1=105h、τ2=104h、τ3为σ3=nσθ下的断裂时间，σ1、σ2分别为τ1、τ2所对应的持久强度，则：

根据持久试验所得数据，t=104h和t=105h时持久强度分别为119.37 MPa和95.07 MPa，直接采用持久强度外推校核，在不考虑持久强度的分散性，应力的安全系数n为1.5时，得到管道的剩余寿命11951.32小时。

高温力学性能结果显示，取样部位的的高温屈服强度显著低于标准值下降，同时金相组织老化已达到4.5级。

3. 结论

（1）理论计算主蒸汽管道及再热蒸汽热段管道母材剩余寿命寿命均大于10万小时。

（2）现场理化及无损检验表明锅炉侧低硬度弯头（最低值151）的硬度不符合标准DL / T438的要求，且该弯头正背弧金相组织异常，为回火马氏体+铁素体+碳化物，老化等级为4.5级。

（3）对机组P91材质主蒸汽管道低硬度弯头取样进行III级评估，取样试验表明，硬度、室温拉伸、高温拉伸等试验结果显著低于标准值；组织中仅残留少量马氏体痕迹、马氏体板条位向严重分散，组织老化级别评定为4.5级。取样持久强度外推t=105h时持久强度为95.07 MPa，显著低于GB / T5310 《高压锅炉用无缝钢管》中推荐值。

（4）在不考虑持久强度的分散性，应力的安全系数n为1.5时，主蒸汽管道低硬度弯头的剩余寿命11951.32小时。

参  考  文  献

[1]崔朝英，乔学亮。火电厂主蒸汽管道寿命评估方法[J]。华北电力技术，2002，（11）：50-54

[2]刘亚江。CAESARⅡ管道应力分析理论[J]。管道技术与设备，2003，（2）6-9

[3]张茂林。P91钢蠕变-疲劳特性研究及蒸汽管道的寿命评估[D].西安：西安理工大学，2010

[4]魏文光。金属的高温蠕变性能试验[M]。北京：科学出版社，1991.