某电厂进口钢管严重带状组织的研究

　某电厂一期工程（300 MW×2）主给水管、再热冷段管材质均为进口的st45．8。其中主给水管工作压力为25．4 MPa、工作温度为278℃；再热冷段管工作压力为4．62 MPa、工作温度为340℃。到货后经抽样检验发现部分管道组织中存在严重的带状组织。为确定该批钢管能否安全投运，进行了全面的材质鉴定试验，分析其带状组织形成的原因及危害，并进行了安全性评价。

1　带状组织形成的原因及其危害
1．1　带状组织形成的原因
　　金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是，加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织，即形成带状组织。形成带状组织的原因各不相同，归纳起来大致有2种原因：
　　a．由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质，压延时，杂质沿压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时，这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布，随后珠光体也呈带状分布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除。
　　b．由热加工温度不当引起的带状组织，即热加工停锻温度于二相区时（Ar1和Ar3之间），铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出，尚未分解的奥氏体被割成带状，当冷却到Ar1时，带状奥氏体转化为带状珠光体，这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。
1．2　带状组织的危害
　　带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性，沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。
2　主要试验及其结果分析　　
　　试样取于主给水管料头，炉号为191272，材质为st45．8钢。
2．1　化学成分分析（见表1）
　　由表1可见，该材质化学成分符合st45．8钢DIN17 175D标准的要求。
2．2　金相试验
　　为便于比较，制作2个试样，正常及带状组织各制1个。试样经打磨、机械抛光、4％的硝酸酒精化学抛光处理后，分别在金相显微镜下进行观察分析。

　　正常组织的片状珠光体均匀分布在铁素体之间，无带状组织现象。图1为带状组织P＋F，其中珠光体和铁素体呈条带状分布，按照GB／T13299－91标准评为4级。
2．3　力学性能试验
2．3．1　常温力学性能试验
　　为了分析说明带状组织对材质不同方向机械性能的影响，按纵横向取样进行常温力学性能试验，试样按GB228－87标准加工，在液压式万能材料试验机上进行拉伸和冲击试验，试验结果如表2。

　　
　　可见，材质的主要机械性能参数在常温下具有明显的各向异性。其中抗拉强度σb纵向比横向高8．2％，屈服强度σ0．2纵向比横向高13．8％，延伸率δ纵向比横向高13．3％，冲击韧性更明显优于横向。
2．3．2　高温力学性能试验
　　主给水管的工作温度为278℃，再热冷段管的工作温度为340℃。为了对主给水管和再热冷段管进行安全性评定，特进行了高温力学性能试验。试样按GB228－87标准加工，在高温拉伸试验机上进行试验。试验结果如表3，表4。

　　由表3、表4可见，材质机械性能在工作温度下仍然具有各向异性，但不如室温下明显。
2．4　恢复热处理试验
　　根据相关资料，st45．8钢管的热轧后热处理工艺为：退火850～1 100℃，终轧为850℃，正火900～930℃。DIN17 175标准指出：如果在热成型后的终轧温度在900℃以上，可以替代热轧后的热处理，但低于900℃时，要进行热轧后的正火或退火热处理。为了探求恢复热处理的合理工艺及分析该材料带状组织形成的真正原因，取样进行了恢复热处理工艺试验。按要求，正火温度为900℃，保温时间分别为30 min，60 min，然后空冷。结果分别得到各试样组织如图2、图3。

　　由图可知，2种工艺均可消除带状组织，得到均匀的P＋F，但是2者的晶粒度明显不同。其中，保温30 min的较保温60 min的晶粒细。这说明“正火”可消除带状组织，但时间不可太长，同时也说明该带状组织是热加工的过程中形成的，而不是因为有害杂质磷等的偏析引起的。试验证明，终轧温度低于900℃而又没有进行轧后热处理是该批材料带状组织形成的原因。
3　安全评定　　
　　根据TB2194－77规定，我国火电厂管道许用应力按式为准进行校核。而对于屈服现象不太明显的合金钢和低碳钢可以以由高温力学性能试验，纵向屈服强度大于横向屈服强度，故取横向屈服强度值进行校核，则

3．1　管道壁厚校核
　　按照SDGJ－90《火电厂汽水管道应力计算技术规定》，对管道壁厚的要求是：

　　式中S为直管壁厚，mm；η为许用应力修正系数，无缝钢管取1；Y为温度修正系数，取0．679；P为工作压力，MPa；n为安全系数，取1．5；D0为管子外径，mm；σs为屈服极限，MPa；［σ］t为钢材在设计温度下的许用应力，MPa。
　　对主给水管P＝25．4 MPa，t＝278℃，规格为φ406．4×55，；对再热冷段管，P＝4．62 MPa，t＝340℃，规格为＝135．5 MPa。有：S主给水管＝45．98＜55；S再热冷段管＝20．08＜21．0。
　　可见，计算壁厚小于实际壁厚。该机组主给水管及再热冷段管在正常工作条件下运行是安全的。
3．2　管道应力校核
　　管道在工作状态下，必须满足公式σ2σ＝P（D0－s）／2s≤［σ］t（式中σ2σ为由内应力产生的折算应力）。已知［σ］278℃＝142．5／1．5＝95 MPa，［σ］340℃＝135．5／1．5＝90．33 MPa，则有：
主给水管：σ2σ＝81．14＜95；
再热冷段管：σ2σ＝87．10＜90．33。
　　可见，管道的工作应力符合安全运行要求。
3．3　安全系数校核
　　按照SDGJ－90标准，n＝2sση／（pD0－2YPs）。
式中σ取实验值；Y＝0．679；η＝1；我国的现行安全系数为1．5（德国为1．25）。主给水管：n＝1．86＞1．5；再热冷段管：n＝1．57＞1．5。
　　可见，管道的安全系数也符合安全运行要求。
4　结　论
4．1　该批钢管严重带状组织是因为终轧温度低于900℃而又没有按规定进行轧后热处理所形成的，可以通过900℃正火热处理工艺消除带状组织。
4．2　严重带状组织的该批钢管常温力学性能呈明显的各向异性，但高温力学性能各向异性有明显减轻。按弱向的横向屈服强度进行壁厚、管道应力和安全系数等校核，结果表明该批钢材仍符合标准要求，可以安全运行，但仍需加强监督检查。
4．3　为防止有异常组织钢管用于现场，应严把订货（特别是进口订货）验收关，应在合同中明确所订材质的显微金相组织验收标准等相关条文。

参考文献
1　束德林．金属力学性能．机械工业出版社，1994
2　崔忠圻．金属学与热处理．机械工业出版社，1997
3　汪守朴．金相分析基础．机械工业出版社，1986
4　刘云旭．低碳合金钢中带状组织的成因危害及消除．金属热处理．2000，12
5　陶曾毅．电厂金属材料．水利电力出版社，1986
6　林昭淑．金属学及热处理实验．湖南大学出版社，1986

湖南电力

　

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