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        T23、T91、TP347H鋼管長(zhǎng)時(shí)服役后的顯微組織和拉伸性能

        2020-10-12 11:47:18郭賚佳谷樹(shù)超丁憲飛劉宇哲
        機(jī)械工程材料 2020年9期

        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。

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