郭賚佳，谷樹(shù)超，段 鵬，丁憲飛，王 松，劉宇哲

(1.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司，上海 201507；2.上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

0 引 言

T23鋼、T91鋼和TP347H鋼因具有優(yōu)良的綜合性能而廣泛應(yīng)用于壁溫不超過(guò)600 ℃的鍋爐過(guò)熱器和再熱器管[1-3]。末級(jí)過(guò)熱器和末級(jí)再熱器是火電機(jī)組鍋爐的關(guān)鍵承壓部件。在爐內(nèi)長(zhǎng)期高溫作用下，材料會(huì)發(fā)生顯微組織退化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致爆管事故[4-6]，給火電機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。研究受熱部件材料在高溫長(zhǎng)時(shí)使用后的顯微組織及力學(xué)性能變化，評(píng)估受熱面管的材料狀態(tài)，對(duì)掌握鍋爐剩余壽命、保障火電機(jī)組安全可靠運(yùn)行具有非常重要的意義[7-9]。目前，有關(guān)T23鋼、T91鋼、TP347H鋼等受熱面管材料的組織和性能退化研究較多，但是有關(guān)相同服役環(huán)境下同臺(tái)機(jī)組受熱面管材料的對(duì)比分析報(bào)道較少。T23鋼、T91鋼、TP347H鋼不同的化學(xué)成分和顯微組織決定了其不同的強(qiáng)化機(jī)理，因此在高溫服役環(huán)境中其顯微組織和力學(xué)性能的退化也有所差異。分析對(duì)比上述3種材料在相同服役環(huán)境下的顯微組織和力學(xué)性能變化，對(duì)于掌握類(lèi)似高溫材料在服役過(guò)程中的性能劣化規(guī)律和使用裕度，保障鍋爐熱管安全運(yùn)行有著重要的借鑒意義。為此，作者以服役約7.8萬(wàn)h(12 a)的600 MW燃煤鍋爐末級(jí)再熱器T23鋼管、T91鋼管和TP347H鋼管為研究對(duì)象，分析了3種材料的顯微組織和拉伸性能，并對(duì)比了其在相同服役條件下的性能劣化程度，擬為燃煤發(fā)電鍋爐關(guān)鍵承壓部件的材料狀態(tài)檢驗(yàn)和剩余壽命評(píng)估提供基礎(chǔ)信息。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料取自600 MW超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流π型鍋爐末級(jí)再熱器管，鍋爐型號(hào)為SG-1913/25.4-M967。該鍋爐投產(chǎn)于2007年7月，至2019年3月累計(jì)運(yùn)行時(shí)間78 215 h(約7.8萬(wàn)h)，啟停38次。在額定工況下，再熱器出口壓力為3.94 MPa，出口溫度為569 ℃，煙氣進(jìn)口溫度為1 077 ℃，煙氣出口溫度為973 ℃。末級(jí)再熱器與煙氣呈順流布置，由爐左(固定端)至爐右共設(shè)置33屏管排，每屏管排共18根管子，材料分別為SA-213T23鋼、T91鋼和TP347H鋼，對(duì)應(yīng)鋼管規(guī)格分別為φ63.5 mm×3.76 mm，φ63.5 mm×3.76 mm，φ63.5 mm×4.23 mm。共截取9根末級(jí)再熱器管，其中T23鋼管試樣5根，T91鋼管試樣2根，TP347H鋼管試樣2根。末級(jí)再熱器管屏及具體取樣位置如圖1所示。經(jīng)檢測(cè)，同種材料末級(jí)再熱器間的化學(xué)成分基本一致，且均滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示(所列數(shù)據(jù)均為各材料試樣中的1號(hào)試樣)。

圖1 末級(jí)再熱器取樣示意(側(cè)視圖)Fig.1 Scheme of sampling from final boiler reheater (side view)

表1 末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of different steel tube samples from final boiler reheater (mass) %

1.2 試驗(yàn)方法

在不同鋼管試樣上取樣，經(jīng)打磨、拋光，再分別用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液(T23鋼管試樣)和氯化鐵鹽酸水溶液(5 g三氯化鐵+50 mL鹽酸+100 mL水，T91和TP347H鋼管試樣)腐蝕后，采用Axio Oberver.D1m型倒置光學(xué)顯微鏡(OM)和Quanta FEG450型高分辨掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織，利用SEM附帶的能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。使用線切割技術(shù)在各鋼管試樣基體上截取0.3 mm厚的試樣，經(jīng)研磨、沖孔得到直徑為3 mm、厚度在80～100 μm的圓片，再利用MTP-1A電解雙噴儀進(jìn)行減薄，雙噴電壓為45 V，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的高氯酸酒精溶液，使用TECNAI F30型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)觀察晶界析出相的微觀形貌。

根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)提供的各管段介質(zhì)溫度信息，T23和T91鋼管試樣高溫拉伸試驗(yàn)的溫度設(shè)定為525 ℃，TP347H鋼管試樣的設(shè)定為570 ℃。按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015，在各鋼管試樣上機(jī)械加工出常溫和高溫弧形板狀拉伸試樣，尺寸如圖2所示，利用C45.305型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫和高溫靜態(tài)拉伸試驗(yàn)。拉伸控制模式為應(yīng)變速率控制，應(yīng)變速率以平行長(zhǎng)度估算，分別為0.000 25 s-1(屈服之前)和0.000 67 s-1(屈服之后)。為減小試驗(yàn)誤差，防止偶然數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，顯微組織分析和力學(xué)性能試驗(yàn)均在再熱器管迎煙側(cè)取樣，拉伸試驗(yàn)均測(cè)試3組平行試樣并取平均值。

圖2 常溫和高溫拉伸試樣的尺寸Fig.2 Size of specimens for room temperature tensile (a) and elevated temperature tensile (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

在相同條件下服役7.8萬(wàn)h后，不同位置同種材料試樣之間的顯微組織差異不大。各鋼管試樣的典型顯微組織如圖3所示。由圖3可知：T23鋼管試樣的顯微組織為鐵素體、貝氏體和碳化物，貝氏體位向明顯分散，晶粒尺寸粗化；晶界碳化物粒子數(shù)量較多，尺寸較大，接近2 μm，且呈現(xiàn)不同程度的鏈狀分布特征。根據(jù)DL/T 884-2004中非珠光體鋼的老化級(jí)別評(píng)定原則，末級(jí)再熱器T23鋼管試樣的顯微組織老化級(jí)別為4級(jí)。TP347H鋼管試樣的顯微組織為奧氏體+碳化物，晶界出現(xiàn)明顯的下凹現(xiàn)象，同時(shí)存在粗大第二相。根據(jù)DL/T 1422-2015，末級(jí)再熱器TP347H鋼管試樣的顯微組織老化級(jí)別為3.5級(jí)。T91鋼管試樣的顯微組織為馬氏體+少量鐵素體，馬氏體位向明顯分散，晶界處析出較多碳化物且碳化物嚴(yán)重粗化，呈不同程度的鏈狀分布。根據(jù)DL/T 884-2004中非珠光體鋼的老化級(jí)別評(píng)定原則，末級(jí)再熱器T91鋼管試樣的顯微組織老化級(jí)別為4級(jí)。

圖3 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的典型OM和SEM形貌Fig.3 Typical OM (a-c) and SEM (d-f) morphology of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h: (a, d) T23 steel; (b, e) TP347H steel and (c, f) T91 steel

圖4為各鋼管試樣中碳化物(圖3中箭頭所指位置)的EDS分析結(jié)果。由圖4(a)可以看出，T23鋼管試樣中尺寸接近2 μm的粗大碳化物含有較高含量的鉻元素，鉬和鎢元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.76%和17.01%，明顯高于基體中的相應(yīng)元素含量(表1)。結(jié)合圖5(a)中碳化物衍射斑點(diǎn)分析可知，該碳化物為富鎢M6C相。長(zhǎng)時(shí)高溫服役后，T23鋼中的M23C6型碳化物會(huì)發(fā)生Ostwald熟化，由富鉻和富鐵的(Cr，F(xiàn)e)23C6相轉(zhuǎn)變?yōu)楦绘u的M6C相[10-11]。富鎢M6C相的析出與長(zhǎng)大，說(shuō)明T23鋼管試樣的顯微組織已發(fā)生明顯老化。此外，由圖5(a)還可以看出，T23鋼管試樣組織中的位錯(cuò)密度較低，粗大的M6C碳化物主要分布在貝氏體板條或原奧氏體晶界位置。

圖4 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣中晶界碳化物的EDS譜Fig.4 EDS patterns of carbides along grain boundaries in different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) T23 steel; (b) TP347H steel and (c) T91 steel

圖5 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的TEM形貌及晶界碳化物衍射斑點(diǎn)Fig.5 TEM micrographs and diffraction patterns of grain boundary carbides of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h: (a) T23 steel; (b) TP347H steel; (c) T91 steel，view 1 and (d) T91 steel，view 2

由圖4(b)可以看出，TP347H鋼管試樣中的碳化物含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的鉻元素，明顯高于基體中的鉻元素含量(表1)。結(jié)合圖5(b)中碳化物衍射斑點(diǎn)分析可知，TP347H鋼管試樣中的粗大碳化物為面心立方(FCC)結(jié)構(gòu)的M23C6相。長(zhǎng)時(shí)高溫服役后，TP347H鋼的晶界處會(huì)產(chǎn)生富鉻的M23C6相[9,12]。較大M23C6相的出現(xiàn)，表明TP347H鋼管試樣的組織發(fā)生了一定程度的老化[13]。由圖5(b)還可以看出，TP347H鋼管試樣組織中仍存在較高密度的位錯(cuò)，位錯(cuò)線附近有較多彌散分布的MX型納米級(jí)沉淀相。這種細(xì)小的MX相可以在一些區(qū)域形成大量的位錯(cuò)塞積和位錯(cuò)墻，使位錯(cuò)無(wú)法運(yùn)動(dòng)，從而提高鋼的強(qiáng)度[14-15]。

對(duì)于P91/T91鋼來(lái)說(shuō)，隨服役時(shí)間延長(zhǎng)，在原奧氏體晶界和馬氏體板條界面等位置會(huì)析出Laves相，并不斷長(zhǎng)大。相比于富鉻M23C6相，Laves相中的鉬含量明顯增加，其化學(xué)式可表示為Fe2Mo[16-17]。由圖4(c)和表1分析可知，T91鋼管試樣晶界碳化物中的鉻含量與基體中的鉻含量差別不大，但鉬含量明顯高于基體中的鉬含量。由圖5(d)中碳化物衍射斑點(diǎn)分析可知，該富鉬碳化物為密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)(晶帶軸[012])，這證實(shí)了T91鋼管試樣組織中已出現(xiàn)明顯長(zhǎng)大的Laves相，與已有研究結(jié)果[18]相符。另外，T91鋼管試樣晶界內(nèi)可見(jiàn)彌散分布的MC型碳化物和周?chē)斣奈诲e(cuò)結(jié)構(gòu)，相比原始態(tài)T91鋼的板條形貌和高密度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[19]，其馬氏體發(fā)生明顯碎化(呈節(jié)狀)，位錯(cuò)密度降低，組織呈現(xiàn)明顯的老化特征[20]。

各鋼管試樣在晶界處均析出了粗大的碳化物，原固溶于基體相中的鉻、鉬等合金元素出現(xiàn)明顯的向晶界碳化物偏聚的脫溶現(xiàn)象，其固溶強(qiáng)化作用減弱；同時(shí)粗大的碳化物破壞了晶界的連續(xù)性，容易在晶界處引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生蠕變孔洞。此外，對(duì)于TP347H奧氏體不銹鋼而言，M23C6相在晶界處的不斷析出和長(zhǎng)大，不僅會(huì)造成其韌性的下降，還會(huì)在晶界形成貧鉻區(qū)，從而誘發(fā)晶間腐蝕[21]。

2.2 拉伸性能

ASME SA213規(guī)定：在20 ℃時(shí)，T23鋼、TP347H鋼和T91鋼的屈服強(qiáng)度下限分別為400，205，415 MPa；抗拉強(qiáng)度下限分別為510，515，585 MPa；斷后伸長(zhǎng)率下限分別為20%，35%，20%。由圖6可知：高溫服役約7.8萬(wàn)h后，不同位置TP347H鋼管試樣的常溫拉伸性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)下限值；T91-1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和T91-2號(hào)試樣的伸長(zhǎng)率分別低于和接近標(biāo)準(zhǔn)下限值，其他指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但接近標(biāo)準(zhǔn)下限值；不同位置T23鋼管試樣的強(qiáng)度指標(biāo)均低于標(biāo)準(zhǔn)下限值，伸長(zhǎng)率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上可知：高溫服役7.8萬(wàn)h后，T23鋼和T91鋼的常溫拉伸性能發(fā)生劣化；TP347H鋼則無(wú)論是強(qiáng)度還是塑性，均表現(xiàn)出較寬的使用裕度。

圖6 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的室溫拉伸性能Fig.6 Tensile properties at room temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) yield strength and tensile strength and (b) elongation

根據(jù)GB/T 5310-2017，采用內(nèi)插法計(jì)算得到T23鋼、TP347H鋼和T91鋼在試驗(yàn)溫度下的最小屈服強(qiáng)度分別為314.5，124.2，283.0 MPa。由圖7可知：所有T23鋼管試樣的高溫屈服強(qiáng)度均低于其標(biāo)準(zhǔn)下限值(314.5 MPa)；所有TP347H和T91鋼管試樣的高溫屈服強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但T91鋼管試樣的抗拉強(qiáng)度低于ASME SEC Ⅱ D SB PT 1-2005規(guī)定的在525 ℃下的最低抗拉強(qiáng)度(410 MPa)。另外，在高溫狀態(tài)下，TP347H鋼表現(xiàn)出最大的抗拉強(qiáng)度降幅，最小的屈服強(qiáng)度降幅，以及最大的伸長(zhǎng)率降幅；服役7.8萬(wàn)h后TP347H鋼在高溫下的延展性明顯降低。

圖7 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的高溫拉伸性能Fig.7 Tensile properties at elevated temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) yield strength and tensile strength and (b) elongation

屈強(qiáng)比是指屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，可表征材料均勻變形的能力，即由塑性變形直至最后斷裂過(guò)程的變形容量，亦可表征材料抵抗屈服和塑性不穩(wěn)定變形的能力。屈強(qiáng)比大的鋼材可以充分發(fā)揮構(gòu)件的使用性能，制作的結(jié)構(gòu)件可靠性高。但是，屈強(qiáng)比愈小，鋼材在受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性愈大，結(jié)構(gòu)安全性愈高。然而屈強(qiáng)比太小，鋼材不能得到有效的利用，又會(huì)造成鋼材浪費(fèi)[22]。由圖8可知：無(wú)論是常溫還是高溫狀態(tài)，TP347H鋼管試樣的屈強(qiáng)比均最小，說(shuō)明高溫服役7.8萬(wàn)h后TP347H鋼仍表現(xiàn)出較高的塑性和結(jié)構(gòu)安全性；在高溫狀態(tài)下，3種鋼管試樣的屈強(qiáng)比均有所升高，說(shuō)明高溫狀態(tài)下的安全性能有所下降，其中TP347H鋼管試樣下降得更快。

圖8 服役7.8萬(wàn)h后末級(jí)再熱器不同鋼管試樣的室溫和高溫屈強(qiáng)比Fig.8 Yield ratios at room temperature and high temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h

3 結(jié) 論

(1) 服役7.8萬(wàn)h后，末級(jí)再熱器不同位置處T23、TP347H和T91鋼管的顯微組織均呈現(xiàn)老化特征，3種材料在晶界處均有較多尺寸粗大的碳化物析出，其中T23鋼管試樣中的碳化物主要為M6C，TP347H鋼管試樣中的主要為M23C6，T91鋼管試樣中的主要為L(zhǎng)aves相；T23、TP347H和T91鋼管試樣的顯微組織老化級(jí)別分別為4級(jí)、3.5級(jí)和4級(jí)。

(2) 服役7.8萬(wàn)h后，T23鋼管試樣的常溫拉伸性能和高溫拉伸性能均呈現(xiàn)嚴(yán)重的劣化傾向，且低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限指標(biāo)；T91鋼管試樣的抗拉強(qiáng)度明顯下降；TP347H鋼管試樣的拉伸性能則滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) 在高溫服役過(guò)程中，相比于T23和T91鋼管試樣，TP347H鋼管試樣呈現(xiàn)良好的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)安全性，但在高溫狀態(tài)下的斷后伸長(zhǎng)率明顯降低，表明其延展性下降；由于TP347H鋼管試樣的晶界有較多富鉻M23C6相析出，因此應(yīng)注意防范其晶間腐蝕。