CN109307630B - 基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法 - Google Patents

基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，该方法是通过检测材料的硬度和金相，根据硬度和金相检测结果，对应评定材料的老化级别。该方法方法简单、准确、有效，无需进行损伤性的割管或取样，就可评定材料的状态，能够指导金属检验人员对高温服役后15Cr1Mo1V钢的老化程度进行准确判定，以协助电厂评价该材料继续服役的可靠性，避免了机组在运行时因材料严重老化而发生蒸汽管道爆裂等重大事故，为电厂的设备和人身安全提供了有效保障，也缩短了电厂检修工期，节约成本。

Description

基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用 15Cr1Mo1V钢的老化评级方法
技术领域
本发明涉及火电机组金属材料检验领域，尤其涉及一种基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法。
背景技术
火电机组的高温高压蒸汽管道用钢，长期服役下容易发生组织结构的老化，进而导致钢的力学性能劣化，材料老化到一定程度后，继续使用极有可能会发生爆管等事故，给机组的安全可靠运行和电厂人员的人身安全造成极大隐患。
15Cr1Mo1V钢是从前苏联引进的珠光体耐热钢，对应前苏联牌号为15X1M1Ф，该钢的淬透性、热强性和抗氧化性能较好，因此被用于壁温≤580℃的蒸汽管道和集箱等高温部件。目前国内仍有一批在役火电机组的主蒸汽、再热热段蒸汽管道用材为15Cr1Mo1V钢，部分机组的服役时间已达十几万小时，必然存在材料老化和性能劣化的问题。蒸汽管道中常用的几种耐热钢，目前都制订有专门的电力标准，比如DL/T 787-2001《火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》、DL/T 773-2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》和DL/T 999-2006《电站用2.25Cr-1Mo钢球化评级标准》等，用于指导15CrMo、12Cr1MoV和P22等钢的老化评级，对这些材料继续服役的安全性做出准确的评价。但对于15Cr1Mo1V钢，由于使用普遍性较小，对其服役后的状况缺少系统的研究分析，因此一直缺少一种行之有效的老化评级方法来为机组的安全可靠运行提供保障。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种简单、准确和有效的基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，用于指导金属检验人员对高温服役后15Cr1Mo1V钢的老化程度进行准确判定，以协助电厂评价该材料继续服役的可靠性，避免机组在运行时因材料严重老化而发生蒸汽管道爆裂等重大事故，为电厂的设备和人身安全提供保障。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，包括以下步骤：
(1)硬度检测：
首先使用砂轮片将检验部位表面的氧化皮去除干净，打磨露出金属光泽；用120#百叶片打磨出平面，打磨深度为0.5mm～1mm；打磨后冷却至室温，检测布氏硬度值，至少检测五个点取其平均值；
(2)制备现场金相：现场制备金相磨面，并用便携式金相显微镜在制备好的磨面处观察金相组织并拍照，需保证照片内存在至少5个晶粒；
(3)老化级别评定：根据金相组织照片和检测硬度，评定检验部位的老化级别；老化级别从未老化至完全老化分为5级，每级对应的室温抗拉强度为：
1级老化对应的室温抗拉强度Rm≥535MPa；
2级老化对应的室温抗拉强度526MPa≤Rm<535MPa；
3级老化对应的室温抗拉强度508MPa≤Rm<526MPa；
4级老化对应的室温抗拉强度500MPa≤Rm<508MPa；
5级老化对应的室温抗拉强度Rm<500MPa。
制备金相磨面的具体方法为：
(1)粗磨：在硬度检测位置使用120#百叶片粗磨以去掉硬度压痕，并保证打磨面为平面；
(2)细磨：粗磨后依次使用240#、600#和1000#砂纸进行细磨，每道工序较上一道工序都应变动90°进行，以保证上一道划痕被完全去除；
(3)抛光和腐蚀：细磨完成后，使用W1.5的金刚石研磨膏抛光以去除划痕，抛光后将棉球浸泡酒精后擦洗抛光面，然后用4％的硝酸酒精溶液进行腐蚀。
金相组织的拍照放大倍率可选择100×、200×、400×、500×、1000×。
老化级别从未老化至完全老化分为5个级别：
(1)1级老化为未老化：贝氏体区域形态清晰，呈结构紧密的粒状，有的呈方向性分布，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.3μm的细小弥散碳化物；布氏硬度值H≥155HB；
(2)2级老化为轻度老化：贝氏体区域结构疏散，边界线清晰，铁素体基体内无碳化物，晶界上分布有平均尺寸≤0.4μm的碳化物；布氏硬度值150HB≤H<155HB；
(3)3级老化为中度老化：贝氏体区域碎化，边界线模糊，无方向性，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.4μm<平均尺寸≤0.7μm的碳化物；布氏硬度值143HB≤H<150HB；
(4)4级老化为重度老化：无贝氏体区域，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.7μm<平均尺寸≤1.1μm的碳化物，存在有碳化物在晶界聚集呈链状分布；布氏硬度值139HB≤H<143HB；
(5)5级老化为完全老化：无贝氏体区域，铁素体基体内无碳化物，平均尺寸>1.1μm的粗大碳化物在晶界处聚集并呈链状或长条状分布，且局部出现双晶界现象；布氏硬度值H<139HB。
同一检查部位至少选择3个视场的金相组织进行拍照评定。
当金相组织存在老化不均匀的现象时，应根据不均匀情况区别对待：局部不均匀的，以主要老化级别，即相同老化级别视场面积占总观察面积≥90％的老化级别作为评定结果；整体不均匀的，即相同老化级别视场面积占总观察面积＜90％的，以老化最严重的级别作为评定结果，并在结论中说明不均匀情况。
对管道材料的老化程度评定为1～4级时，其对应的室温抗拉强度都不小于500MPa，符合前苏联标准Ty14-3-460-75中对15Cr1Mo1V钢的规定(室温抗拉强度≥500MPa)，均可继续安全使用；对管道材料的老化程度评定为5级时，其对应的室温抗拉强度已不满足标准Ty14-3-460-75中的要求，再结合DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》中对15CrMo、12Cr1MoV和P22等相近低合金钢的监督规定，应选择割管或取样进行寿命评估以判断材料的使用寿命。
本发明的有益效果：
本发明提出了一套专门针对15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，提高了对该材料进行老化程度评定的准确性；方法简单有效，电厂金属检测人员只需通过现场硬度和金相检测，无需进行损伤性的割管或取样，就可评定材料的状态，为电厂缩短检修工期、节约成本。
附图说明
图1为老化级别为1级时的金相组织图；图中(a)：200×；(b)：500×；(c)：1000×。
图2为老化级别为2级时的金相组织图；图中(a)：200×；(b)：500×；(c)：1000×。
图3为老化级别为3级时的金相组织图；图中(a)：200×；(b)：500×；(c)：1000×。
图4为老化级别为4级时的金相组织图；图中(a)：200×；(b)：500×；(c)：1000×。
图5为老化级别为5级时的金相组织图；图中(a)：200×；(b)：500×；(c)：1000×。
图6为实施例2中某电厂主蒸汽管道弯头的现场金相组织图。放大倍数：400×。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
一种基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，包括以下步骤：
1、硬度检测：
管道的检验部位应选取温度较高、应力较大的位置，如末级过热器出口处弯头背弧面、末级再热器出口处弯头背弧面、高压导汽管进口处管段以及蒸汽管道中管径和壁厚发生变化处的管段等；首先使用砂轮片将检验部位表面的氧化皮去除干净，打磨露出金属光泽；用120#百叶片打磨出平面，打磨的平面面积约10cm2、深度为0.5mm～1mm；打磨后打磨面冷却至室温，检测布氏硬度值，至少检测五个点取其平均值；
2、金相观察：
(1)粗磨：在硬度检测位置继续使用120#百叶片粗磨以去掉硬度压痕，并保证打磨面为平面；
(2)细磨：粗磨后依次使用240#、600#和1000#砂纸进行细磨，每道工序较上一道工序都应变动90°进行，以保证上一道划痕被完全去除；
(3)抛光和腐蚀：细磨完成后，使用W1.5的金刚石研磨膏抛光以去除划痕，抛光后将棉球浸泡酒精后擦洗抛光面，然后用4％的硝酸酒精溶液进行腐蚀；
(4)金相组织照片的采集：用便携式金相显微镜在腐蚀好的磨面处进行观察后，选择有代表性的视场进行拍照，需保证照片内存在至少5个晶粒，同一检查部位至少选择3个视场的金相组织进行拍照，金相组织的拍照放大倍率可选择100×、200×、400×、500×和1000×；
3、老化级别评定：
根据金相组织照片和检测硬度，评定检验部位的老化级别；老化级别从未老化至完全老化分为5个级别：
(1)1级老化为未老化：贝氏体区域形态清晰，呈结构紧密的粒状，有的呈方向性分布，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.3μm的细小弥散碳化物(图1)；布氏硬度值H≥155HB；1级老化对应的室温抗拉强度Rm≥535MPa；
(2)2级老化为轻度老化：贝氏体区域结构疏散，边界线清晰，铁素体基体内无碳化物，晶界上分布有平均尺寸≤0.4μm的碳化物(图2)；布氏硬度值150HB≤H<155HB；2级老化对应的室温抗拉强度526MPa≤Rm<535MPa；
(3)3级老化为中度老化：贝氏体区域碎化，边界线模糊，无方向性，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.4μm<平均尺寸≤0.7μm的碳化物(图3)；布氏硬度值143HB≤H<150HB；3级老化对应的室温抗拉强度508MPa≤Rm<526MPa；
(4)4级老化为重度老化：无贝氏体区域，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.7μm<平均尺寸≤1.1μm的碳化物，存在有碳化物在晶界聚集呈链状分布(图4)；布氏硬度值139HB≤H<143HB；4级老化对应的室温抗拉强度500MPa≤Rm<508MPa；
(5)5级老化为完全老化：无贝氏体区域，铁素体基体内无碳化物，平均尺寸>1.1μm的粗大碳化物在晶界处聚集并呈链状或长条状分布，且局部出现双晶界现象(图5)；布氏硬度值H<139HB；5级老化对应的室温抗拉强度Rm<500MPa。
当金相组织存在老化不均匀的现象时，应根据不均匀情况区别对待：局部不均匀的，应以主要老化程度，即相同老化级别视场面积占总观察面积≥90％(不足100％)的老化级别作为评定结果；整体普遍不均匀的，即相同老化级别视场面积占总观察面积＜90％的，以老化最严重的级别作为评定结果，并在结论中说明不均匀情况。对管道材料的老化程度评定为1～4级时，其对应的室温抗拉强度都不小于500MPa，符合前苏联标准Ty14-3-460-75中对15Cr1Mo1V钢的规定(室温抗拉强度≥500MPa)，均可继续安全使用；对管道材料的老化程度评定为5级时，其对应的室温抗拉强度已不满足标准Ty14-3-460-75中的要求，再结合DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》中对15CrMo、12Cr1MoV和P22等相近低合金钢的监督规定，应选择割管或取样进行寿命评估以判断材料的使用寿命。
实施例2
某火电厂1号机组系俄罗斯生产的142MW机组，汽轮机型号为ПГ-140/165-130/15-2型，锅炉型号为Е-420-13.7-560КГ型。锅炉出口过热蒸汽最初设计压力13.73MPa，温度560℃±5℃。主蒸汽管道的实际运行温度为560℃，材质为15Cr1Mo1V，规格为Ф377mm×50mm。选取锅炉出口第1个弯头进行检测时，机组已累计运行12万小时。
1、硬度检测：
首先使用砂轮片将弯头背弧外表面的氧化皮去除干净，打磨露出金属光泽，再用120#百叶片打磨出面积约10cm2、深度为0.5mm～1mm的小平面，打磨后打磨面冷却至室温，使用便携式里氏硬度计进行硬度检测，参照相关国家标准GB/T 17394.4-2014《金属材料里氏硬度试验第4部分：硬度值换算表》转换为布氏硬度，测得硬度平均值为141HB。
2、金相观察：
(1)粗磨：在硬度检测位置继续使用120#百叶片粗磨以去掉硬度压痕，并保证打磨面为平面；
(2)细磨：粗磨后依次使用240#、600#和1000#砂纸进行细磨，每道工序较上一道工序都应变动约90°进行，以保证上一道划痕被完全去除；
(3)抛光和腐蚀：细磨完成后，使用W1.5的金刚石研磨膏抛光以去除划痕，抛光后将棉球浸泡酒精后擦洗抛光面，通常需要使用几个棉球，然后用4％的硝酸酒精溶液进行腐蚀；
(4)金相组织照片的采集：用便携式金相显微镜在腐蚀好的磨面处进行观察后，选择有代表性的视场进行拍照，需保证照片内存在至少5个晶粒，同一检查部位至少选择3个视场的金相组织进行拍照，放大倍率选择400×。
3、老化级别评定：
(1)现场所检主蒸汽管道弯头的布氏硬度值为141HB，处于4级老化的硬度范围。
(2)现场所检主蒸汽管道弯头金相组织照片如图6所示。评级方法中4级老化(重度老化)的组织特征为：无贝氏体区域，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.7μm<平均尺寸≤1.1μm的碳化物，存在有碳化物在晶界聚集呈链状分布；根据图6中所显示的组织特征，再结合图4中所提供的参考图片，可以判定所检部件的组织老化程度为4级。
(3)综合主蒸汽管道弯头的布氏硬度和金相组织特征，将其老化程度评定为4级。
对该部位进行室温抗拉强度检测，结果显示室温拉伸强度为502MPa，结果与本发明设定范围一致，说明本发明的方法具有良好的较为准确。
实施例3-5
按照本发明实施例1的方法对该电厂主蒸汽管道另外三个不同部位进行老化评级，并取样进行室温抗拉强度检测，结果与本发明设定范围一致，说明本发明的方法较为准确，具体数据如下表所示：
Figure GDA0001864835250000061

Claims (5)

1.一种基于现场检测硬度和金相组织的火电机组蒸汽管道用15Cr1Mo1V钢的老化评级方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)硬度检测：
首先使用砂轮片将检验部位表面的氧化皮去除干净，打磨露出金属光泽；用120#百叶片打磨出平面，打磨深度为0.5mm～1mm；打磨后冷却至室温，检测布氏硬度值，至少检测五个点取其平均值；
(2)制备现场金相：现场制备金相磨面，并用便携式金相显微镜在制备好的磨面处观察金相组织并拍照，需保证照片内存在至少5个晶粒；
(3)老化级别评定：根据金相组织照片和检测硬度，评定检验部位的老化级别；
老化级别从未老化至完全老化分为5个级别：
(1)1级老化为未老化：贝氏体区域形态清晰，呈结构紧密的粒状，有的呈方向性分布，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.3μm的细小弥散碳化物；布氏硬度值H≥155HB；
(2)2级老化为轻度老化：贝氏体区域结构疏散，边界线清晰，铁素体基体内无碳化物，晶界上分布有平均尺寸≤0.4μm的碳化物；布氏硬度值150HB≤H<155HB；
(3)3级老化为中度老化：贝氏体区域碎化，边界线模糊，无方向性，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.4μm<平均尺寸≤0.7μm的碳化物；布氏硬度值143HB≤H<150HB；
(4)4级老化为重度老化：无贝氏体区域，铁素体基体内分布有平均尺寸≤0.2μm的碳化物，晶界上分布有0.7μm<平均尺寸≤1.1μm的碳化物，存在有碳化物在晶界聚集呈链状分布；布氏硬度值139HB≤H<143HB；
(5)5级老化为完全老化：无贝氏体区域，铁素体基体内无碳化物，平均尺寸>1.1μm的粗大碳化物在晶界处聚集并呈链状或长条状分布，且局部出现双晶界现象；布氏硬度值H<139HB；
每级对应的室温抗拉强度为：
1级老化对应的室温抗拉强度Rm≥535MPa；
2级老化对应的室温抗拉强度526MPa≤Rm<535MPa；
3级老化对应的室温抗拉强度508MPa≤Rm<526MPa；
4级老化对应的室温抗拉强度500MPa≤Rm<508MPa；
5级老化对应的室温抗拉强度Rm<500Mpa。
2.根据权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，制备金相磨面的具体方法为：
(1)粗磨：在硬度检测位置使用120#百叶片粗磨以去掉硬度压痕，并保证打磨面为平面；
(2)细磨：粗磨后依次使用240#、600#和1000#砂纸进行细磨，每道工序较上一道工序都应变动90°进行，以保证上一道划痕被完全去除；
(3)抛光和腐蚀：细磨完成后，使用W1.5的金刚石研磨膏抛光以去除划痕，抛光后将棉球浸泡酒精后擦洗抛光面，然后用4％的硝酸酒精溶液进行腐蚀。
3.根据权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，金相组织的拍照放大倍率可选择100×、200×、400×、500×、1000×。
4.根据权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，同一检查部位至少选择3个视场的金相组织进行拍照评定。
5.根据权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，当金相组织存在老化不均匀的现象时，应根据不均匀情况区别对待：局部不均匀的，以主要老化程度，即相同老化级别视场面积占总观察面积≥90％的老化级别作为评定结果；整体不均匀的，即相同老化级别视场面积占总观察面积＜90％的，以老化最严重的级别作为评定结果，并在结论中说明不均匀情况。
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