P91钢无损检测技术研究进展

P91钢作为一种新型马氏体耐热钢,具有优异的抗腐蚀性、抗高温氧化性,因此广泛应用于火电机组以及电厂锅炉内高温、高压设备的建造,然而,在高温、高压环境中服役,P91钢极易产生损伤而出现性能劣化甚至失效情况。利用无损检测技术对P91钢的健康状态进行评估,不仅可以有效保障工程安全,也能节约经济成本。综述了目前用于P91钢质量评估的磁粉检测、超声检测、渗透检测、磁检测以及声发射检测技术的研究成果,总结了各检测方法应用的侧重点,提出了P91钢无损检测技术存在的问题,展望了其发展方向。

P91钢焊缝金属碳化物聚集程度的差异对焊缝金属冲击韧性的影响

利用夏比冲击试验、SEM扫描电镜和EBSD分析等方法研究了在P91钢焊缝金属微观组织中晶界处碳化物的聚集程度差异对焊缝金属冲击韧性的影响。结果表明:焊态与热处理态下P91钢焊缝金属微观组织不同,焊态下组织为未回火板条马氏体组织,热处理态为铁素体组织。碳化物沿着晶界呈颗粒链的形式聚集,在碳化物周围观察到了微孔及微孔聚集的现象。碳化物颗粒在力的作用下发生应力集中,在碳化物周围形成微孔,晶界处碳化物颗粒链聚集程度越高,则微孔体积分数越高,微孔快速聚集到一起形成裂纹,导致冲击韧性降低。基体中析出相呈弥散分布,析出相数量越多,基体弥散强化效果越显著,冲击韧性降低。EBSD实验结果表明,晶界处分布着大量M_(23)C_(6)型碳化物,基体中也有少量的M_(23)C_(6)型碳化物。

影响P91耐热钢焊缝金属冲击韧性的因素分析

利用扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪、电解萃取实验等研究了P91耐热钢焊缝金属冲击韧性不稳定的原因。结果表明,焊缝金属的组织为铁素体组织,在铁素体基体与晶界处分布着大量的析出相。析出相主要为M_(23)C_(6)型碳化物和氧化物夹杂,其中晶界处聚集的M_(23)C_(6)是影响焊缝金属冲击韧性的主要原因。通过对不同冲击韧性值的试样晶界处碳化物的面积分数统计发现,M_(23)C_(6)面积分数的增加导致焊缝金属的冲击韧性下降。

国产P91钢焊接接头热影响区各亚区域的热处理模拟

采用不同温度(800,850,950,1 300℃)×25 min的正火+755℃×60 min回火处理分别模拟P91钢接头热影响区不同亚区域,采用650℃×200 h高温加速时效热处理工艺模拟服役50 000 h工况,通过对比热模拟和实际接头试样研究了服役50 000 h后P91钢焊接接头热影响区不同亚区域的组织及性能。结果表明:粗晶区、细晶区服役态热模拟试样的马氏体板条形态以及MX相、M_(23)C_(6)碳化物和Laves相的数量、分布、颗粒尺寸与实际接头相应亚区域均十分接近;除粗晶区外,热影响区各亚区域服役态热模拟试样和实际服役接头相应区域的平均晶粒尺寸十分接近,相对误差不超过12.5%,显微硬度和微型杯突力学性能相近,强度、韧度和断裂挠度率相对误差均在5%以内,断口呈典型微孔聚集型韧性断裂特征;热影响区部分相变区显微硬度最小,为191 HV,在细晶区和粗晶区硬度大幅上升,在熔合线处达到最大,为314 HV;热影响区粗晶区的微型杯突强度最大,塑性最差,部分相变区的强度最低,塑性最好;相比粗晶区,部分相变区的颈缩程度更高,韧窝更大更深。

焊接热输入对P91钢焊接修复微观组织及性能的影响

为进一步揭示补焊热输入对补焊接头焊缝区微观组织与性能的影响规律,本文通过微观组织表征、显微硬度测试、拉伸实验和冲击实验等方法,对比研究了焊接热输入对P91钢焊接接头焊接缺陷、微观组织和力学性能的影响。结果表明,热输入为10kJ/cm时,补焊区焊缝金属中树枝晶呈平行状;热输入增加到15kJ/cm时,补焊区焊缝组织呈现出交叉互锁的燕尾搭接状形态;而热输入进一步增加到20kJ/cm时,补焊区的焊缝组织以平行状树枝晶为主和少量的交叉互锁的燕尾搭接状树枝晶组成。补焊区的析出相主要由NbC、Cr_(23)C6和Fe_(2)Nb(Laves相)组成,且随着热输入的增加,析出相熟化长大。力学性能分析表明,补焊区焊缝金属的强度和冲击韧性随热输入的增加均呈现出先增加后降低的变化趋势。热输入为15kJ/cm时,补焊区焊缝金属的枝晶形态和析出物形态所导致的“协同效应”使得显微裂纹形核、发育、扩展所需的能量阈值有所不同,进而补焊区的焊缝金属可以保持相对较高的韧性,因此热输入为15kJ/cm时,补焊区焊缝组织的强韧匹配最优。而3种热输入下的补焊区的焊接热影响区由于晶粒粗大以及补焊过程中的高拘束应力使得该区域的冲击韧性最差。

P91弯管外弧侧硬度降低原因分析

介绍了P91钢管冷弯回火后弯头外侧硬度的降低情况,结合弯曲试验、硬度试验和金相分析,得出:对于冷弯变形量较小的P91钢管,经780℃回火,弯管外侧的硬度值一般比较稳定,金相组织只发生回复;当P91冷弯变形量较大时,弯管外侧显微组织发生再结晶,硬度值迅速下降。

坡口角度对P91钢多层多道焊接残余应力的影响

P91钢是典型的马氏体耐热钢,被广泛应用于电站锅炉和石油化工等领域的高温、高压器件中。在焊接过程中产生的残余应力,会与服役过程中的工作应力叠加,加剧蠕变、疲劳和腐蚀,导致焊接接头的早期失效。坡口角度对焊接接头质量有显著的影响,使用盲孔法测量了P91钢平板多层多道焊接接头残余应力的分布,同时采用有限元法研究了坡口角度对P91钢平板多层多道焊接接头残余应力的影响。结果表明:坡口角度的增加使焊缝宽度及焊接道数增加,下表面横向残余拉应力和压应力峰值均降低。对于纵向残余应力,上表面拉应力峰值从604MPa降低至544MPa,降低约11%。压应力峰值从209MPa升至261MPa,升高约24.9%。下表面热影响区处的拉应力峰值增加约10MPa。对于横向残余应力,上表面拉应力峰值从545MPa升至648MPa,升高约18.9%。压应力峰值从176MPa降至134MPa,降低约23.9%。下表面拉应力峰值从325MPa降至240MPa,降低约26.2%。压应力峰值从102MPa降至37MPa,降低约63.7%。

超临界机组长期服役后P91钢微观组织演变研究

P91钢因优异的高温强度和抗蠕变性能,作为高温承压部件材料被广泛应用于超临界火电机组中。然而,长期在高温环境中服役会导致材料微观组织的退化,进而影响其力学性能及机组的安全运行。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针显微分析仪和透射电子显微镜等多种表征技术,分析和对比了P91钢管道在超临界火电机组中长期(66000—68000 h)服役前后的微观组织变化,并探讨了微观组织转变的机理。结合P91钢显微硬度的变化情况,研究了微观组织转变对其力学性能的影响。研究结果表明,服役前后的P91钢管道金相组织均保持典型的板条马氏体结构,但服役后P91钢中马氏体板条内的位错密度下降,且部分板条出现宽化。在析出相方面,服役前的P91钢中主要存在富Cr的M_(23)C_(6)相、富V、Nb的MX相,而服役后的P91钢中除了原有的析出相外,还在原奥氏体晶界和板条边界发现了富Mo的Laves相。另外,服役后析出相的面积分数相比服役前增加了3.06%,但析出相的数量却减少了28.1%,这主要归因于M_(23)C_(6)相的Ostwald熟化和Laves相析出长大。析出相的粗化与聚集减弱了对位错和晶界的钉扎作用,导致板条合并宽化,以及亚晶粒的形成更加容易发生。服役后的P91钢,其平均显微硬度下降了20.70 HV0.5,直接反映为力学性能的降低。一系列的微观组织的演变,是导致P91钢力学性能下降的主要原因。本研究为P91管道的长期安全服役提供了基础数据,具有非常重要的理论和工程应用意义。

P91耐热钢相变过程的原位观察

采用激光共聚焦显微镜研究了P91耐热钢的组织变化规律。结果表明,温度升高到780℃时,组织向奥氏体(γ)转变;当温度达到965℃时,有微量的δ-铁素体产生;升温到1093℃时,P91表面晶界明显,并在升温中有块状δ-铁素体生成,直到1187℃左右时可见有大量的δ-铁素体,在1200℃保温时呈现不规则的多边形晶粒;在300℃/min的冷却速率下,在1164℃时组织为δ-铁素体并伴有少量的析出物,在909℃左右时已能看到δ-铁素体转化为奥氏体(α)的相变,这种相变也决定着残余δ-铁素体以及奥氏体(γ)相的数量和形态。

P91钢在高流速液态铅铋介质中的冲蚀行为

基于第四代核能系统的发展和需求,铅冷快中子反应堆(Lead-cooled fast reactor,LFR)是下一步优先发展的6种主要堆型之一.铅冷快堆以液态纯铅(Lead)或铅铋共晶合金(Lead-bismuth eutectic,LBE)作为冷却剂,然而在高温、高流速条件下,LBE与结构材料的冲刷腐蚀磨损严重限制了其工程应用.本文以P91钢为研究对象,在相对流速为5 m·s^(−1),温度分别为350℃和450℃,不进行控氧处理的LBE中进行了3000 h的动态测试.研究发现,350℃时P91钢表面生成的氧化层为多层结构:从外到内分别为疏松的Fe_(3)O_(4)层、Fe–Cr尖晶石层、内氧化区(Internal oxidation zone,IOZ),合金表面氧化层经历了“生成—剥落—再生成”的动态平衡过程.当介质温度为450℃时,试样表面氧化腐蚀现象更加严重,但是不同冲击迎角区域的试样表面腐蚀特征有较大差异.试样表面损伤的严重程度排序为:30°>90°>−90°.30°迎角区域氧化层完全剥落,且LBE渗透入基体;90°迎角区域部分氧化层剥落,内部基体未受到LBE侵蚀;−90°迎角区域氧化层结构保持完整.本文分析了P91钢在高流速(5 m·s^(−1))LBE中的冲蚀行为,阐明了合金氧化层的生成和剥落机制,可以为我国第四代核反应堆LFR结构或包壳材料研发及其在LBE中腐蚀机制研究提供一定实验数据与参考.

蠕变-疲劳交互作用下P91钢变形行为研究进展

P91钢被广泛应用于热电机组的蒸汽管道中。近年来,峰值负荷调节导致了管道部件的蠕变-疲劳相互作用,构件常出现早于预期寿命的失效。针对这一问题,本文综述了P91钢在蠕变-疲劳交互作用下的力学响应、微观组织演化、裂纹萌生扩展规律三个方面的研究成果与进展。首先通过对比不同条件下蠕变-疲劳加载方式,论述了蠕变-疲劳变形过程中材料的微观组织演化规律。最后,根据载荷保持时间、加载频率、平均应力与应力幅的关系等外部服役条件的不同,阐述了P91钢微裂纹的萌生、扩展行为。

低硬度P91钢弯头的组织与性能分析

火力发电通过提高发电机组的蒸汽参数可以获得更高的发电效率,但更高的蒸汽参数给火电厂的安全运营带来新挑战。蒸汽管道弯头是火电机组系统中的事故多发区,其组织性能的研究对于指导管件生产与电厂设备运营管理具有重要意义。某电厂某1000 MW超超临界机组在进行金属监督检验时,发现材质为P91钢的管道弯头背弧面局部硬度偏低。通过硬度试验、拉伸试验、金相检测、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等分析,对其硬度偏低部位的显微组织与力学性能进行研究。经分析,P91弯头局部区域硬度偏低的主要原因是组织老化、析出相长大导致其各项强化作用减弱。

P91耐热钢蠕变孔洞形核的力学机制

采用实验结合晶体塑性有限元的方法对P91耐热钢蠕变孔洞形核力学行为进行研究,分析了蠕变孔洞周围晶粒间的取向差分布,构建了晶体塑性有限元模型,计算了晶粒取向差(8.4°、16.9°、33.6°、50.0°、65.8°和77.1°)对晶界应力场的影响。结果表明:蠕变过程中晶界应力随时间逐渐降低,最大应力所在位置发生变化,这是由于晶粒转动、滑移系开动等多方面因素导致;当晶粒相位角在33.6°~50.0°时,应力集中强度高,EBSD观察支持了这一结果,说明相邻晶粒间取向差影响晶界处应力,其大小的变化证实了蠕变孔洞的形核依赖于相邻晶粒取向差。

P91钢低硬度部件监督控制措施研究

对某电厂因金相组织异常引起的低硬度P91钢部件进行了硬度、金相和壁厚的跟踪检测,通过安全性评估,提出了此类型部件更经济、更方便的处理措施,认为针对低硬度P91钢部件不能简单更换了之,应分析其造成低硬度的原因并分类处理,以此来保证P91钢的硬度部件符合标准。

快堆高温P91管道焊接热处理及金属监督研究

示范快堆是我国首座钠冷快堆电站,其主蒸汽管道设计压力为17 MPa,设计温度为530℃,属于高温高压管道,鉴于目前核电厂对于高温管道的监督并无明确标准规范要求,故基于P91钢焊接热处理过程中出现的问题研究高温P91管道的金属监督要求。通过分析P91钢焊接过程中常出现的热处理问题,发现当回火温度过高时,焊接部位会发生马氏体分解、碳化物聚集现象,导致焊接接头硬度过高;预热温度及层间温度过高会延长焊缝从800℃冷却至500℃的时间,降低焊接接头韧性。同时,P91钢在焊接过程中,操作不当会导致焊接接头力学性能降低,因此对P91钢的焊接及焊后热处理工作必须经过严格的工艺评定合格后方可实施。此外,在役阶段金属监督应加强硬度检测、金相检测的手段,建立焊缝检测数据库,以判断P91焊缝金属力学性能是否发生变化。

早期失效P91耐热钢再热热段弯头的组织与力学性能

采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)及硬度、冲击等测试方法对某电厂服役51381 h失效的P91耐热钢90°再热热段弯头处的组织和力学性能进行了研究。结果表明,组织中第二相发生熟化,其钉扎晶界能力下降,少部分马氏体板条宽化形成亚晶;粗化的M23C6和Laves相使得硬度仍维持在较高水平,但其冲击韧性明显降低。弯管外弧受力分析表明,外弧应力显著高于内弧,高应力导致外弧过早产生蠕变损伤并不断积累,形成蠕变孔洞且逐渐聚集合并,最终在外弧表面应力最大处产生蠕变裂纹,造成P91再热热段弯头过早失效。

乙烯装置超高压蒸汽管线A335-P91的施工工序探讨

随着对乙烯产品的需求增大,其装置规模不断扩大,管道的直径和壁厚也相应增加。其中超高压蒸汽管线(A335-P91)管线安装、焊接质量要求高,工序复杂,施工难度大,是乙烯装置工艺管道施工的重点和难点。通过设置合理的施工工序,保证超高压蒸汽管道在时间紧、任务重的前提下,优质、高效地完成施工任务。

A335 P91材质高压蒸汽管道现场焊接技术要点

通过对A335P91材料性能及焊接性能的综合分析,以山东某化工有限公司新建45万吨/年乙烯装置为例,总结了焊接技术要点同时结合相关文献结果,对P91材质高压蒸汽管道现场焊接技术要求进行了详尽的介绍,并对焊接全过程进行了梳理。从技术措施、人员技能、材料、加工及焊接设备、组对、焊接、热处理、焊缝无损检测等各方面进行控制,现场施工质量得到了有效的保障,为更广泛地推广A335P91材料的使用提出了建议。

带蒸汽和冷凝水的P91管道焊接与焊后热处理技术研究

万华某项目施工中,设计新增一条DN500的耐热钢材料P91管道,需要从原动力厂的旧蒸汽管道连接。由于原管道使用时间长,前置阀门和后置阀都存在严重的内漏,其他动力蒸汽装置在使用中不能停止,新增管道和老旧管道管线连接焊接,P91管道焊接时需要预热、热处理,现场进行了多种尝试,均收效甚微。施工团队将长输管道的管道清管器的功能和原理灵活运用到本项目,摸索出成功的施工方法。

乙烯装置P91管道焊接技术

P91钢管道焊接预热、焊接热循环、热处理过程如操作不当,可能出现硬度值严重偏低的焊口,这类焊口的高温持久强度很差,使用寿命降低,影响管道长期安全运行。为促进石化施工企业对P91钢施工技术发展,本文总结了P91钢管道原材料验收、焊材选用、焊接预热、焊后马氏体转化及焊后热处理技术,提供了硬度值为121~165HBW的现场焊口,经炉内正火+回火热处理,使其焊缝、热影响区硬度值恢复为210≤HBW≤235。