在役联邦德国EBV st 45.8/III锅炉钢管的延寿措施

摘要

本发明涉及在役电站联邦德国EBV st 45.8/III锅炉钢管延寿方法。联邦德国EBV公司供货时对于st 45.8/III锅炉钢管不进行正火处理和国内锅炉制造厂对该钢管冷弯后不进行退火，从而使该管材易发生爆破事故。运用本发明简便、不需玻管、对在役该钢管退火热处理，自然冷却，即可消除脆化现象，延长使用寿命，本发明具有明显的经济效益和社会效益。

说明书

本发明方法涉及钢的热处理方法，特别涉及在役西德EBV st 45.8/III锅炉钢管延寿的热处理方法。

st 45.8/III锅炉钢管是西德Eschwellet Bergwerks-Verein冶金厂(简称EBV)的产品，根据合同，我国从1979～1983年进口总量达1000余吨，分别在我国十一个电站中使用，这批进口管材已造成四个电厂发生爆破、泄漏和裂纹等事故，特别是1988年10月唐山发电总厂5号炉的供水分配管的弯头在运行中发生了爆炸事故，造成很大损失，因此，这批进口管材的使用严重威胁着我国十一个电厂的十四台大型锅炉的安全。由于以前没有出现过这种情况，因此，未发现对正在服役的锅炉钢管所采取的延寿措施报导。

本发明目的在于：提供一种不需割管，对在役西德EBV st 45.8/III锅炉钢管采取的简便延寿措施，以解除由于该项进口管材质量和工艺问题引起的对电厂安全所致的威胁。

本发明目的是这样达到的：按照金属学和金属强度原理，以硬度作为检验及监测手段，以退火热处理消除钢管弯头脆化现象，从而使该批锅炉钢管延长使用寿命。

以下结合附图对本发明进行详细说明。

其中，附图1是不同状态下室温强度变化曲线；附图2是不同状态下350℃强度变化曲线；附图3是不同状态下延伸率δ值的变化曲线；附图4是不同状态下面积收缩率ψ值的变化曲线；附图5是不同状态下室温横向、纵向冲击韧性变化曲线；附图6是不同状态下350℃横向、纵向冲击韧性变化曲线；附图7是不同状态下室温硬度变化曲线。对爆管和热处理后的管材全部进行了金相分析和电子显微镜观察。

在唐山发电总厂的5号炉上共装配120余吨的EBV st 45.8/III钢管，该炉供水分配管共有44个弯头。该厂供水分配管材EBV st 45.8/III钢的化学成分和机械性能检验结果如下：

表1.爆管的化学成分(％)

    C     Si    Mn    P    S    N    O  AlDIN 17175-59  ≤0.22 0.10～0.35≥0.45≤0.05≤0.0500.010 -- --爆管  0.155 0.300.780.01450.0290.01040.010痕量

表2.爆管弯头的机械性能

  δs  (MPa)  δb  (MPa)  δ  (％)  ψ  (％)  aK(U型)  (J/cm²) HB (MPa)   压扁室温543.2 644.819.0 52横8.8-17.5纵14.4-18.82185～2244  不合格350℃406.9 617.84.8 60.2横86.7-96.7纵104.1-122.7------DIN 17175-59＞255 441-539＞21 ---------

唐山发电总厂5号炉的供水分配管的主爆口是在弯头部位，其断口是脆性平断口，内表面有拉伤直道，外表面有重皮和发纹等，缺陷严重。由于制造质量不好，引起裂纹发生，在启停炉时又促使裂纹扩展，这是引起爆破的原因之一：管材冶金质量差，N、O元素含量超标，含酸溶Al量极低，非金属夹杂物大量存在，因此，强度和硬度高，冲击韧性塑性很低，呈脆化状态(见表1和表2)，这些都是发生脆化断裂的基本条件；按照GB2106-80标准的要求，采用夏比V型试样系列冲击试验法，在钢管弯头部位取样测得脆性转折温度(FATT)为125℃，金相组织中晶粒度不均匀，达到5～8级，有组织偏析和魏氏组织，因此，能导致低应力爆破。

从以上实验结果可知，爆管弯头部位的脆性转折温度(FATT)高达125℃，魏氏组织存在，冲击值aK值下降显著。从资料(金属学编写组编的《金属学》，上海人民出版社，第21页，1977年3月出版)介绍：“过热的低碳钢在较高冷速下容易产生魏氏组织，它的出现是由于终轧温度在Ar3点以上，从而造成冷速加快所致，而随后又不进行正火处理”，实验也证实，将爆管加热到900℃，正火一小时，其晶粒度细化，魏氏组织消除，珠光体恢复片状形态。可见，由于脆性转折温度高，魏氏组织存在，显微组织中的铁素体和珠光体沿加工变形方向成层状平行交底的条带组织，它们都加大了管材的脆化趋势，使其塑性与韧性大大降低，硬度也不均匀，因此，可导致低应力爆破。由以上分析，可以推测西德EBV st 45.8/III钢管的终轧温度在950℃以上。又从资料(周惠久、黄明志主编的《金属材料强度学》，科学出版社出版，第221页，1989年3月出版)可见，用降低终轧温度的方法来降低钢材的脆性转折温度。因此，爆破弯头的脆性转折温度高，就是由于终轧温度高，又未进行正火所致。

此外，还有应变时效脆化问题，EBV st 45.8/III钢属于低碳钢，由于其冶金历史缘故，含N、O量高，含酸溶Al极低，从而足以使N、C原子向变形后的位错堆上聚集，使其位错钉扎力加强，可动位错大大减少。如资料(李俊林等编著《锅炉用钢及焊接》黑龙江出版社，156页，1988年11月出版)指出：“冷弯变形程度增大，时效愈加明显，当大于10％变形量时时效虽不再增加，但可使aK值降低到原始状态的10～15％，使钢完全变脆”。唐山发电总厂所用EBV st 45.8/III钢管是由哈尔滨锅炉厂进行冷弯加工的，其变形量达14％以上，因此，足以引起应变时效。实验证明，EBV st 45.8/III钢存在应变时效是明显的，由于应变时效脆化的存在，使得这些钢中容许裂纹尺寸减小，易于发生脆性破裂。

众所周知，低碳钢管在冷弯变形以后，内部产生大量的位错，这些位错的分布是紊乱交织的，处于高能状态；此外，还伴随着大量空位间隙原子存在。由于冷弯以后，使低碳钢管产生了加工硬化，金属内部的畸变能升高了，从而处于不稳定状态。按照自由能减小的原理，它们要自发地趋于平衡状态，而这种过程的进行，一般情况下要通过加热才能实现。当加热到一定温度，显微组织就发生明显的变化，沿着受力方向拉长的铁素体逐渐形成了新的等轴晶粒，不仅晶粒发生了改变，晶内的畸变也消失了，变形后的高位错密度也减少到变形前的状态，强度和硬度也相应地恢复到原始状态时的数值，这就是再结晶退火处理，实验表明，经过再结晶退火处理后，冷变形低碳钢管的强度、硬度明显下降；塑性、韧性大大提高，内应力和加工硬化现象得到消除。

当变形程度较大时，各种工业纯金属与其熔点之间有一定的关系，工业纯铁的再结晶温度为650～700℃，而EBV st 45.8/III钢的再结晶温度为600～650℃，因此，对爆破弯管管段分别进行了600℃、620℃、640℃、660℃再结晶一小时退火热处理试验，列表于表3中，各种试验数据变化曲线如附图1～7所示。

从附图1可见，经过各再结晶退火温度退火处理后的室温强度(包括屈服强度δs(以×表之)和抗拉强度δb(以○表之)，单位为(MPa)，在630～640℃下强度性配备合理，反之，爆破弯管(B)和未爆破弯管(W)的强度显得太高，脆化，易于发生破裂；附图2表示不同状态下350℃(运行温度)的强度变化趋势，以×表示δs，以△表示δb，该附图表明在620～640℃下性能很好，而B和W的强度太高，易脆和破裂；附图3表示不同状态下室温(以△表之)和350℃(以×表之)下的延伸率δ值的变化趋势，该附图表明在620～640℃退火后的延伸率比B和W提高较多，塑性增强，附图4表明不同状态下室温(以△表之)和350℃(以○表之)下的面积收缩率ψ的变化趋势，表明在620～640℃下处理后比B和W提高很多，塑性增加很多：附图5表示不同状态下室温的横向(以×表之)和纵向(以○表之)冲击韧性aK值的变化，aK是U形试样的冲击值，其单位是J/cm²，结果表明620～640℃处理后，冲击韧性值大大提高；附图6表示不同状态下350℃横向(以○表之)和纵向(以○表之)的冲击韧性变化曲线，结果表明在620～640℃处理后，冲击韧性值大大提高；附图7表示不同状态下室温硬度HB(MPa)值的变化情况，在620～640℃退火处理后硬度HB大大下降，证明脆化消除。以上的处理都是分别在600、620、640、660℃下退火1小时进行的。

从表3和附图1-7可见，不同的退火温度对EBV st 45.8/III钢管弯头的机械性能有明显的影响，随着温度的增加，屈服强度δs和抗拉强度δb硬度HB下降，而延伸率δ和面积收缩率ψ有所提高，而冲击值aK值大大提高，其中以620～640℃退火的综合效果最好，所以对于变形量大的EBV st 45.8/III钢管弯头在620～640℃，最好是640℃再结晶退火1小时自然冷却为宜，但对于无冷附加变形的该钢直管段则620～640℃再结晶退火效果不明显。当然，由于原钢管是以终轧状态供货的，可以对直管施行900℃正火处理，经过该处理后在350℃下直管的强度有提高，塑性和塑性也有很大提高。

经过不同温度再结晶退火处理后，金相组织也有相应的变化，随着退火温度增加，铁素体上位错密度明显下降。用透射电镜观察在各退火温度下热处理后的弯管，看到其各种形状的位错胞已经不同程度地消失。光学显微镜下观察金相组织仍为铁素体加珠光体，硬化变形后拉长的组织已恢复到原始态。经900℃正火处理后，晶粒度比原始态组织有很大的细化，较分散的块状珠光体已恢复为片状。由此，可见，对原管材是以终轧的较高温度代替最后正火处理的判断是事实。600℃退火处理后组织变化不大；620℃处理后珠光体稍有球化，大部分仍为片层组织；640℃处理后，铁素体晶内有弥散的渗碳体，珠光体有部分球化，位错胞已消除，恢复到原始状态；660℃处理后，珠光体大部分已球化，铁素体晶界上有链状渗碳体析出且聚集长大，渗碳体粒子显著粗化，数目大大减少，颗粒间距增大，位错胞已消除。因此，从金相分析上看，再结晶退火温度也以620～640℃为宜，最好是640℃。

EBV st 45.8/III弯管经过640℃退火1小时自然冷却的热处理后，强度和硬度有所降低，塑性和韧性大大提高，但是为了验证其在运行状况下长时间保持后是否脆化，将640℃退火1小时后的弯管在350℃下保持50小时和200小时，然后再测试机械性能，观测其变化，结果无任何变化。经过350℃下长期时效考验，各项性能指标达到DIN 17175-59标准要求以上，不会再出现脆化现象。

关于应变时效问题，EBV st 45.8/III钢管由于其冶金历史而明显存在应变时效现象。为了检验各再结晶温度对应变时效敏感性系数的影响，利用直管段分别进行10％和15％冷变形加工后，经二个再结晶退火温度(620℃、640℃)和900℃正火处理1小时，然后将各组试样分别在室温250℃、350℃下进行时效，其结果见表4。从表3可见，随着变形量的增加(10％到15％)应变时效敏感系数增加；随着时效温度上升(室温、250到350℃)，应变时效敏感系数增加，在250℃时，应变时效敏感系数达到最高值，因为这是脆化区。不同退火温度对应变时效敏感性系数影响也很大，随着退火温度上升，应变时效敏感系数下降，应变时效现象逐渐消除，经过640℃或900℃热处理后，应变时效敏感性降到最小值。因此，用620～640℃，退火热处理也可以消除其应变时效脆化现象。

总之，从以上实验表明，该批EBV st 45.8/III锅炉钢管弯头620～640℃，最好640℃，再结晶热处理1小时后，自然冷却，可达到标准要求，机械性能可恢复到原始水平，金相组织稳定，这个热处理工艺可以用于电站现场实施。至于直管因无冷变形加工硬化现象，用本发明热处理的效果不明显，因此，本发明方法只适用于EBV st 45.8/III锅炉钢管的弯头部位，而直管段不需热处理。

                                                             表3.爆破管弯头在不同热处理状态下的机械性能

    δs(MPa)      δb(MPa)    δ(％)    ψ(％)  HB(MPa)       aK(横向)      aK(纵向)   室温 350℃ 室温 350℃ 室温 350℃ 室温 350℃ 室温    室温 350℃ 室温 350℃原始态    565.7  490.9  659.8  644.5  19.0  14.8  50.1  34.8    2244.2    12.592.9  16.5  110.3600℃    359.8  330.0  506.8  537.1  21.8  22.4  57.8  49.2    1734.6    55.9125.0  103.5  159.9620℃    368.4  264.8  505.1  499.4  23.8  24.0  59.2  53.3    1456.9    118.5129.3  138.1  173.8640℃    3320  294.7  477.4  478.0  27.8  24.6  64.6  53.3    1535.7    135.8155.7  197.5  198.2660℃    311.9  258.3  464.9  483.1  32.7  26.0  63.9  52.1    1558.2    84.8118.1  174.6  174.9注：1)表中所有性能数据均为平均值；

2)aK为U形缺口试样的冲击值，单位为J/cm²；

3)硬度HB的数据是换算成MPa的数据。

                            表4.不同处理状态下应变时效敏感系数

      室温时效       250℃时效      350℃时效   10％   15％      10％    15％    10％    15％爆管直管段 42.8％ 69.0％    83.0％  80.3％  74.6％  60.7％620℃退火后 24.0％ 30.5％    41.3％  56.5％  27.1％  48.1％640℃退火后-12.0％-13.9％    34.1％  40.9％  19.5％  24.3％900℃正火后-32.2％  7.8％    14.2％  37.4％  -3.7％  32.2％

本发明是针对在役电站西德EBV st 45.8/III锅炉钢管的处寿措施，所提供的是一种简便、不需割管的延寿方法。该方法是现场检验弯头的硬度和金相组织，如发现硬度超出标准或金相变化，即对该弯头部位进行现场退火处理，热处理后定期监测硬度变化。

本发明方法的详细步骤如下：

1)先将检验部位清理磨平，运用里氏便携式硬度计现场检查弯头部位硬度，如发现其硬度HB140以上，即应对其进行再结晶退火处理；

2)必要时，用复膜金相方法检验弯头部位的金相组织，如发现珠光体中的渗碳体由片状变为分段状，并已发生球化，铁素体晶界上有析出物，铁素体内有弥散度很大而颗粒十分细小的析出物时，应对其进行再结晶退火处理；

3)再结晶退火处理是用远红外绳式加热器，对该硬度与金相不合要求的弯管部位现场进行620～640℃1小时退火，将绳式远红外加热器绕于该部位，再用保温材料包起，远程测量和远程控制温度，退火后自然冷却；

4)对热处理后的弯头部位以里氏便携式硬度计定期监测其硬度变化。

本发明延寿措施具有许多优点，效果明显，本发明方法简便，不需停炉和割管，在电站运行过程中即可施行。运用本发明方法发现和处理硬度不合格的弯头，可使其硬度降低HB30～50单位或更多，效果很好。用里氏便携硬度计测量硬度和远红外绳式加热器加热，操作工艺简单易行，检测手段方便而准确。因此，能为国家创造较大财富并根除隐患。

实施例1

唐山陡河电厂5号炉的西德锅炉钢弯管，经过本发明工艺的620～640℃退火1小时后自然冷却，使该弯头硬度从HB229降低到HB140；金相组织从原来的非规则变成规则均匀的组织形态。

实施例2

秦岭发电厂5号炉670T/H西德锅炉钢管弯头，用本发明方法的640℃退火处理1小时，自然冷却，使管材弯头部位硬度从HB209降低到HB156，消除了脆化现象，复膜金相检验，原来拉长的金相组织在热处理后变成规则的规则均匀组织形态。

实施例3

荆门热电厂应用本发明工艺方法对西德锅炉钢管弯头进行635～640℃退火处理1小时，自然冷却，使管材硬度降低了HB30～50单位，效果很好。金相复膜检验，组织变得均匀规律。