1、目目 錄錄1、概述2、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化（材質劣化）3、檢驗案例第1頁/共34頁1、概概 述述動力管道的運行特點：（1）與鍋爐系統相連，其失效不僅限于管道本身的失效，同時與鍋爐的運行相關如水處理、除氧過程。（2）高溫下運行，材料性能和金相組織的變化。（3）結構與強度的問題相當特出。一次膜應力、溫差應力（二次應力）、應力松馳等（4）分類問題第2頁/共34頁1、概概 述述第3頁/共34頁1、概概 述述第4頁/共34頁1、概概 述述第5頁/共34頁2、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化2、1 珠光體球化與石墨化珠光體球化與石墨化珠光體鋼

2、的正常組織是由珠光體晶粒與鐵素體晶粒組成。珠光體晶粒中的鐵素體及滲碳體是呈薄片狀相互間雜的。而片狀珠光體是一種不穩定的組織，其中的滲碳體有自行轉變成球狀并聚集成大球團的趨勢。這種球化過程是以擴散為基礎的，當溫度較高時，原子的活動力增強，擴散速度增加，片狀滲碳體便逐漸轉變成球狀，再逐漸聚齊成大球團。這種現象即稱為珠光體的球化。石墨化：低合金鋼在高溫、應力長期作用下，珠光體內滲碳體分解出游離石墨的現象。珠光體球化分級 第6頁/共34頁2、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化2 2、2 2 蠕變損傷蠕變損傷 蠕變損傷是指金屬部件在一定的溫度和持續應力作用下產

3、生緩慢的蠕變變形，由此導致金屬材料微觀組織和宏觀組織的不連續性，例如蠕變孔洞和蠕變裂紋等，以及蠕變強度下降的現象。蠕變損傷評級可按單個蠕變孔洞、方向性蠕變孔洞、鏈狀蠕變孔洞、微觀蠕變裂紋和宏觀蠕變裂紋等級別評定。蠕變孔洞的形成：a) 晶界是優先生成蠕變孔洞的部位，晶界上析出的碳化物和其他雜質都能促進蠕變孔洞的形成。b) 蠕變孔洞多發生在與最大主應力軸垂直或成一定角度的晶界上。c) 蠕變孔洞外形輪廓圓滑，多呈圓形或橢圓形。蠕變損傷評定，蠕變損傷檢查方法按DL/T551-1994低合金耐熱鋼蠕變孔洞檢驗技術工藝導則規定進行。 第7頁/共34頁2、在高溫長期運行金屬材料性能和組織的變化、在高溫長期運

4、行金屬材料性能和組織的變化2、3應力松弛應力松弛金屬材料長期在高溫和較高應力狀態下,如果維持總變形量不變,隨著時間的延長,應力逐漸降低的現象稱為應力松弛。在松弛過程中，雖然總變形不變，但彈性變形將逐漸轉變為塑性變形，從而使材料中的應力隨時間而降低。因此，金屬材料的松弛過程，實際上就是金屬材料在高溫下彈性變形轉變為塑性變形的過程。低碳鋼、低合金鋼，在高溫下均產生應力松弛現象。對于低碳鋼，塑性應變速度與應力呈線形關系，在不同總應變時的圖線斜率近于相等。對于低合金鋼，塑性應變速度與應力的關系可分為兩個階段。在松弛的第一階段，塑性應變速度不僅與應力有關，而且與總應變有關；在松弛的第二階段，塑性應變速度

5、僅與應力有關，而與總應變無關。由此可見，由于附管部件與管道的材質不同，在高溫下應力松弛時的塑性應變速度不同，從而造成這二者之間變形不協調而形成撕裂裂紋。第8頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、1 1 檢驗要點檢驗要點動力管道的全面檢驗按照在用工業管道定期檢驗規程（國質檢鍋（2003）108號）和電站鍋爐壓力容器檢驗規程DL 647-2004的相關規定進行。主要檢驗項目有： 外表面宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測、超聲波檢測、硬度檢驗、金相分析、光譜分析、橢圓度測量、蠕脹測量、安全保護裝置檢驗以及支吊架檢驗及調整等。在動力管道檢驗中尚應當注意：瞬時超溫現象和熱疲勞現象（見后圖）介紹某電站鍋

6、爐的事故案例第9頁/共34頁瞬時超溫管道的破壞第10頁/共34頁熱疲勞裂紋第11頁/共34頁過熱與疲勞聯合作用下的破壞第12頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（1 1）主要檢驗項目主要檢驗項目檢驗項目及檢驗比例檢驗項目檢驗比例宏觀檢驗100%測厚檢查管件部位：50%，直管部位：抽查表面檢測管件焊縫：50%，彎頭外?。?0%支管、支吊架角焊縫：抽查超聲波檢測管件焊縫：30%，彎頭外?。?0%彎管橢圓度測量50%金相檢驗彎管、監察管段抽查硬度檢驗彎管、直管、焊縫抽查第13頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（

7、2 2）硬度異常及焊接接頭內部裂紋硬度異常及焊接接頭內部裂紋 某電廠鍋爐主蒸汽管道，于2005年8月投入使用，已累計運行約3萬小時。該管道自過熱器出口集箱起，至主汽門止。其參數為：設計壓力17.6 （MPa）工作壓力）17.45 （MPa設計溫度546 （）工作溫度541 （）管子材料牌號A335P91工作介質過熱蒸汽管道規格479.746.3338.832.9管道級別GC1第14頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（2 2）硬度異常及焊接接頭內部裂紋硬度異常及焊接接頭內部裂紋分析： 該管道長期處于高溫下（541，3萬小時）運行，可能產生蠕變、材料劣

8、化。在檢驗中應重點蠕脹測量；進行硬度檢驗和金相抽查；對硬度有懷疑的部位，應進行金相檢查； 該管道在鍋爐停爐時的冷態到鍋爐運行時的熱態,存在較大的溫差,有可能發生管系的變形。在檢驗中應重點進行支吊架的檢查，對整個管系進行宏觀檢查，對水平管段的位移進行測量； 材質為P91鋼，屬于馬氏體鋼，具有一定的冷裂傾向，應重點檢查焊縫是否存在延遲裂紋等缺陷；第15頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（2 2）硬度異常及焊接接頭內部裂紋硬度異常及焊接接頭內部裂紋1、檢驗結果2、討論關于硬度檢驗的討論：硬度不應作為強度和金相組織是否合格的唯一依據。主要是測量誤差和硬度指

9、標的離散性。當出現硬度值異常時，應進行金相試驗和光譜分析，以確定組織變化和強度變化情況第16頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（2 2）硬度異常及焊接接頭內部裂紋硬度異常及焊接接頭內部裂紋3、焊接接頭發現裂紋30號焊接接頭內部存在裂紋4、可焊性分析 第17頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（3 3）主蒸汽管道吊架附管部件角焊縫撕裂及材主蒸汽管道吊架附管部件角焊縫撕裂及材料劣化料劣化 某電廠鍋爐主蒸汽管道，于1988年7月投入使用,累計運行時間約15萬小時。該管道自過熱器集箱后主汽閥1起，至主蒸汽母管前主

10、汽閥2止。N主汽閥1主汽閥2W1W2W3W4W5注：圖中為支吊架。H3Z1H5Z2W代表彎管代表焊縫Z代表直管H1H2H4H6H7H8H9Z3設計壓力5.4 （MPa） 工作壓力5.4 （MPa）設計溫度（）485工作溫度485材料牌號12Cr1MoV 工作介質過熱蒸汽管道規格21916 管道級別GD第18頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（3 3）主蒸汽管道吊架附管部件角焊縫撕裂及材主蒸汽管道吊架附管部件角焊縫撕裂及材料劣化料劣化1、檢驗結果2、吊架附管部件角焊縫撕裂原因分析吊架附管部件材質一般為低碳鋼，管道材質為低合金鋼由于附管部件與管道的材質

11、不同，在高溫下應力松弛時的塑性應變速度不同，從而造成這二者之間變形不協調而形成撕裂裂紋。第19頁/共34頁啟示啟示1附管部件與管道的連接附管部件與管道的連接支吊架一般可以分為三部分，即附管部件、生根部件和中間連接件，其中附管部件與管子的連接最為重要。一般情況下，附管部件與管子連接有兩種方式，即直接焊接或管卡連接。下列情況下，附管部件不能與管子焊接。1）管內介質溫度等于或大于400的碳素鋼管道：因為碳素鋼一般不進行焊后熱處理，應力松馳使得金屬不穩定而造成焊縫拉裂。2）低溫管道：對于低溫管道，如果采用焊接結構，會由于金屬傳熱較快而造成較大的冷量損失，因此，對于低溫管道一般應選用管卡型式，且管卡在保

12、冷層的外層。3）高空架設備的合金鋼或有熱處理要求的管道4）非金屬襯里管道，鍍鋅管道等防腐蝕復層的不宜采用焊接附管。第20頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（4 4）主蒸汽管道變形分析主蒸汽管道變形分析 某電廠鍋爐主蒸汽管道，于1991年投入使用，累計運行時間約10萬小時。該管道自鍋爐主蒸汽閥起，至主蒸汽母管止,設計壓力9.6 （MPa）工作壓力8.89.6 （MPa）設計溫度540 （）工作溫度525540 （）材料牌號10CrMo910 工作介質過熱蒸汽管道規格27328 管道級別GD第21頁/共34頁1吊架2吊架鍋爐出口處3吊架4#吊架5吊架6

13、吊架7吊架8吊架9吊架19三通廠房墻體廠房墻體2002年3月經檢驗發現一段管道（3# 和4#吊架附近）存在明顯的變形，經實地觀測，該管段豎直方向最大相對位移達到180mm，后經分析認為4#恒力彈簧吊架已經變形卡死，故將4#恒力彈簧吊架的彈簧更換。 3和4#吊架的附近管段變形加劇，豎直方向最大相對位移達到204mm。 第22頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（4 4）主蒸汽管道變形分析主蒸汽管道變形分析變形分析：第一種情況：僅有熱膨脹，支吊架荷重取設計值；第二種情況：熱膨脹和內壓共同作用,支吊架的荷重取設計值；第三種情況：根據以上兩種情況的分析對支吊

14、架荷重進行調整，然后計算；第四種情況：基于前三種情況，考慮管線服役過程的蠕變；第五種情況：考慮超溫的情況；第六種情況：綜合以上分析，找出管線變形的原因，提出整改措施，并對整改后的情況進行模擬。第23頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、2 2 主蒸汽管的檢驗（主蒸汽管的檢驗（4 4）主蒸汽管道變形分析主蒸汽管道變形分析邊界條件：在鍋爐出口及母管三通處設為固定約束(六個自由度均限制)，另外有兩處穿過廠房墻體，限制兩個自由度，即X方向和Y方向的自由度 計算軟件采用大型的ABAQUS商用有限元軟件 變形計算結果第24頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、3 3低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋低溫

15、再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋 某電廠鍋爐低溫再熱蒸汽管道，于2005年1月投入使用，累計運行時間約萬小時。該管道自高壓缸排汽口起，至再熱器進口集箱止,設計壓力（MPa）4.46 工作壓力4 設計溫度（）349.3 工作溫度325.7 材料牌號A106BCL32工作介質過熱蒸汽管道規格558.816812.819 管道級別GD第25頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、3 3低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋 檢驗結果及分析經磁粉檢測發現彎頭（W7、W11）外弧外表面存在大面積裂紋。 對裂紋附近和外弧完好部位進行了現場金相檢驗。發現：裂紋附近晶粒相對粗大，為輕度球化，彎頭外

16、弧完好部位未球化熱壓無縫彎頭第26頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、3 3低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋熱推工藝介紹:熱推彎頭成形工藝是采用專用彎頭推制機、芯模和加熱裝置，使套在模具上的坯料在推制機的推動下向前運動，在運動中被加熱、擴徑并彎曲成形的過程。熱推彎頭成形的示意圖12341-模具 2-坯料 3-加熱裝置 4-正在成形的彎頭第27頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、3 3低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋其變形過程中的物理模型是：第28頁/共34頁3、檢驗案例、檢驗案例3 3、3 3低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋低溫再熱蒸汽管道彎頭表面裂紋 由金相檢驗結果可知彎頭產生的裂紋類型屬沿晶斷裂。裂紋沿著晶界擴展。一般形成沿晶斷裂的原因有如下幾種：如果熱加工工藝不當，造成雜質元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因溫度過高使晶界弱化、或因環境介質沿晶界浸入金屬基體等因素出現時，晶界的鍵合力被嚴重削弱，往往在低于正常斷裂應力的情況下，被弱化的晶界成為斷裂擴展的優先通道而發生沿晶斷裂。分析該彎頭產生裂紋原因是在加工過程中，雜質元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相而形成微裂紋，在拉應力作