王苗苗, 朱畢焱

(上海發(fā)電設備成套設計研究院,上海 200240)

上世紀八九十年代,日本在ASTM S213 TP 304H鋼管的基礎上,開發(fā)了一種新型的18-8型奧氏體不銹鋼.該鋼種不僅具有較好的高溫強度和高溫抗氧化性能,而且不含昂貴的M o、V等貴金屬元素,制造成本比ASTM S213 TP 304H 鋼管更低.此鋼種開發(fā)后在日本電站鍋爐過熱器和再熱器部件上的應用時間已超過10年,顯示出其良好的綜合性能.目前,該鋼已被列入ASTM A 213M 標準,代號為S30432.國內(nèi)則在最近幾年才開始將S30432鋼管應用在超(超)臨界鍋爐過熱器和再熱器上[1-3].

國內(nèi)某電站鍋爐高溫過熱器管選用S30432管材,但該過熱器管僅運行約1 590 h就發(fā)生了爆管.本文對此高溫過熱器爆管及持久試驗管材進行了組織及析出物的對比分析,以探尋材料在服役過程中組織與析出物的變化及其對性能的影響.

1 試驗材料

選取2種S30432鋼管,其中1號鋼管為進口材料,取自國內(nèi)某電站鍋爐過熱器爆管試樣,該過熱器的設計蒸汽溫度為605℃,正常工作狀態(tài)下其管壁溫度約為650℃,滿負荷條件下過熱器出口壓力為26.15 MPa,管壁實際承受應力為63.63 MPa,管子運行時間約為1 590 h,經(jīng)上海發(fā)電設備成套設計研究院分析,該管子屬于過熱器超溫蠕變爆管.2號鋼管為國產(chǎn)材料,取自高溫持久斷裂試驗管材,試驗溫度為 650℃,試驗應力為 200 MPa,斷裂時間為2004.2 h.表1給出了上述2種試驗材料的化學成分.從表 1可知:2種鋼材的成分均符合 ASME Code Case 2328-1要求.

表1 2種試驗鋼材的化學成分Tab.1 chemical composition of two test samples %

2 組織與析出相的變化

2.1 金相組織分析

圖1為2種鋼材的金相組織.由圖1可知:2種鋼材的金相組織均為奧氏體,晶粒度等級分別為:1號鋼材7.5級;2號鋼材9級.2種鋼材的金相組織中均有非常粗大的析出物,不同的是1號鋼材中的析出現(xiàn)象較嚴重,已經(jīng)形成蠕變裂紋,晶界結(jié)合程度也較差,而2號鋼材雖然晶粒較細小,但其晶粒上也分布有一些粗大的顆粒,部分呈條帶狀分布,對材料的使用性能會產(chǎn)生不利的影響.

圖1 2種鋼材試樣的金相組織Fig.1 Microstructure of two test samples

2.2 析出相分析

材料在高溫服役過程中會析出細小彌散的顆粒,并且隨著時間的延續(xù)逐漸長大.圖2為1號鋼材試樣的顯微組織.從圖2可看出:在1號鋼材試樣的顯微組織中,不僅析出相數(shù)量較多,而且尺寸較大,尤其在晶界處析出相顆粒長大非常明顯.這種現(xiàn)象在鋼管爆口處最為嚴重,在部分析出相顆粒的邊緣已經(jīng)形成蠕變裂紋.圖3為1號鋼材試樣中的析出相.從圖3可觀察到析出相主要有4類:①一次析出相NbC(N),它在固溶過程中未能完全固溶到基體中,如圖3(a)中較大的黑色顆粒,這些一次析出相尺寸較大,個別顆粒的尺寸可達3μm左右;②數(shù)量相當多的Cr23 C6相,如圖3(b)中的灰色大顆粒,主要在晶界上析出,長度可達4μm左右;③在晶內(nèi)析出的NbC(N)顆粒,這種顆粒不同于一次析出相,其尺寸較小,平均尺寸約為數(shù)十nm,如圖3(a)中細小的黑色顆粒;④在晶內(nèi)彌散析出的細小富Cu相顆粒,如圖3(a)中白色細小的顆粒,平均尺寸不足10 nm,其對位錯釘扎的能力較強,強化作用較好.

圖2 1號鋼材試樣的顯微組織Fig.2 Microstructure of test sample No.1

圖3 1號鋼材試樣中的析出相Fig.3 Precipitates in test sample No.1

從圖2和圖3可看出:富Cu相顆粒尺寸穩(wěn)定性較好,在析出后長大不明顯,而其他析出相顆粒則大小不一,尤以Cr23 C6相和一次析出相NbC(N)最為嚴重.由于一次析出相NbC(N)非常粗大,不僅沒有達到強化效果,而且還為Cr23 C6顆粒的析出提供了界面.

圖4和圖5為2號鋼材試樣的顯微組織與析出相形貌.從圖中可觀察到與1號鋼材試樣相似的現(xiàn)象:一次析出相NbC(N)非常粗大(圖5(a)中較大的棒狀顆粒)、Cr23C6相大多在晶界上析出呈鏈狀分布(圖5(b)中鏈狀顆粒)、富Cu的強化相在晶內(nèi)彌散析出(圖5(c)中細小的白色顆粒)、較小的析出相NbC(N)顆粒長大較慢(圖5(c)中稍大的灰色顆粒).

圖4 2號鋼材試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of test sample No.2

圖5 2號鋼材試樣的析出相Fig.5 Precipitates in test sample No.2

3 分析與討論

S30432鋼管在ASME SA-213 TP 304H鋼的基礎上,降低Mn含量上限,加入約3%Cu、0.45%Nb和微量N,這些合金元素在固溶時完全溶解,時效過程中不斷在晶內(nèi)析出細小、彌散的富 Cu相顆粒、NbC(N)、NbCrN和Cr23C6,從而獲得良好的強化效果,提高了材料的持久強度、持久塑性、韌性及抗腐蝕性能,使其能在更高的許用應力下使用[4-6].

通過對國產(chǎn)和進口的2種鋼管分析發(fā)現(xiàn):2種鋼材中均存在較為粗大的一次析出相NbC(N),這說明S30432鋼管在制管過程中的高溫軟化溫度不足,一次析出相NbC(N)未能完全溶解.由于一次析出相NbC(N)的溶解溫度一般均高于1 200℃,如不能在高溫軟化過程中溶解,則在后續(xù)的工藝過程中將無法消除,進而形成成品鋼管組織中粗大的一次析出相顆粒.這種粗大的一次析出相NbC(N)不僅沒有起到強化基體的作用,反而減少了基體中的固溶強化元素,因此影響S30432鋼的沉淀析出強化效果,而且還為Cr23 C6相的析出提供了界面,容易形成蠕變孔洞,對材料的使用性能影響較大.因此,筆者建議在生產(chǎn)制造S30432鋼管過程中改進工藝,盡量避免或減少上述情況的出現(xiàn).

另外,從圖4和圖5還發(fā)現(xiàn):S30432鋼中存在較多尺寸較大的Cr23C6相,并呈鏈狀分布在晶界上,這在很大程度上削弱了晶界強度,為蠕變孔洞的萌生提供了條件.隨著服役時間的延長,在應力作用下蠕變孔洞逐漸形成蠕變裂紋,產(chǎn)生了大量的沿晶(微)裂紋,嚴重影響到鋼材的使用壽命;細小的NbC(N)顆粒長大緩慢,起到了一定的強化作用;而富Cu相顆粒細小彌散,尺寸變化不明顯,其釘扎和強化作用最好.

4 結(jié) 論

在本文研究與分析的鋼管中,存在較為粗大的一次析出相NbC(N)顆粒,導致鋼管使用性能降低.如果材料的這種缺陷普遍存在,則可能會影響到S30432鋼管的長期、安全和穩(wěn)定運行.

[1] 楊華春.日本SUPER 304H奧氏體不銹鋼鍋爐管評價[J].東方鍋爐,2003(2):13-24.

[2] 林富生.超超臨界參數(shù)機組材料國產(chǎn)化對策[J].動力工程,2004,24(3):311-316.

[3] 繆筱玲,王鵬展.超(超)臨界鍋爐用鋼管SUPER 304H與XA 704性能特點評價[J].東方電氣評論,2006,20(3):31-36.

[4] 周順深.低合金耐熱鋼[M].上海:上海人民出版社,1976.

[5] 孫葉柱.用于超超臨界鍋爐的Super 304H材料的性能[J].電力建設,2003,24(9):11-14.

[6] 肖紀美.不銹鋼的金屬學問題[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1983.