深能（河源）電力有限公司 王樞 深能合和電力（河源）有限公司 楊丹萍

1 引言

近年來，國(guó)內(nèi)逐步建設(shè)高參數(shù)火電機(jī)組，由于超超臨界機(jī)組二次再熱鍋爐參數(shù)更高，再熱器出口氣溫能夠達(dá)到623℃，出口壓力能夠達(dá)到11.42MPa，且超超臨界二次再熱相對(duì)一次再熱機(jī)組熱效率能夠提高2%[1]，鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)材料要求更高，因此，材料的性能退化及其對(duì)安全性的影響受到越來越多的關(guān)注。某電廠鍋爐一次再熱器及二次再熱器管排主要采用HR3C（型號(hào)為：SA-213TP310HCbN），該材料在國(guó)內(nèi)二次再熱機(jī)組上使用時(shí)間較短，因此，對(duì)運(yùn)行后材料的特性深入研究有利于材料選擇、安裝指導(dǎo)、維護(hù)檢修、運(yùn)行操作，同時(shí)，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。該電廠某臺(tái)機(jī)組運(yùn)行2100h，鍋爐二次高溫再熱器出現(xiàn)爆管，首爆口是二次再熱出口左數(shù)65屏4號(hào)管，規(guī)格Φ57×4mm，材質(zhì)牌號(hào)SA-213TP310HCbN，對(duì)爆管及周邊管段取樣進(jìn)行了材料性能分析，主要從化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及形貌照片等方面進(jìn)行分析，并與正常運(yùn)行管進(jìn)行對(duì)比。

2 化學(xué)成分

該臺(tái)鍋爐爆管后，截取兩段取樣管，取樣1（爆管）及取樣2 周邊管利用牛津直讀式臺(tái)式光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)要求，化學(xué)成分結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分結(jié)果（單位：wt/%)

3 力學(xué)性能

3.1 硬度測(cè)試

對(duì)取樣管2 進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為5kg，硬度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。不同部位硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，直管段硬度值較低，略高于標(biāo)準(zhǔn)下限。受加工硬化因素的影響，彎管區(qū)域硬度高管段。

圖1 硬度測(cè)試結(jié)果

3.2 沖擊測(cè)試

對(duì)取樣管2 進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)格為10mm×2.5mm×55mm，沖擊開口類型為V 型，開口深度為2mm，采用150J 擺錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定沖擊吸收能量值要求，但沖擊值已不高于10J，可知其抵抗外力沖擊能力較弱。該管為薄壁管，并且其抵抗外力沖擊能力較弱。

表2 室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果（單位：J）

3.3 拉伸測(cè)試

對(duì)取樣管2進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用12.5mm寬剖條試樣，厚度為原始壁厚，標(biāo)距為50mm，室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，延伸率低于標(biāo)準(zhǔn)要求，該材料長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后，塑韌性會(huì)降低[2]。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4 金相組織

取樣管2直管段金相組織照片如圖2所示。從圖2可以看出，取樣管2 直管部位金相組織為奧氏體組織，未觀察到孿晶組織，內(nèi)外壁組織較均勻。取樣管2彎管段金相組織照片如圖3所示。從圖3可以看出，內(nèi)弧部位外內(nèi)壁處金相組織均為孿晶奧氏體，壁組織較為均勻，內(nèi)弧外壁起弧呈波浪狀，孿晶比例高于內(nèi)壁處，系形變導(dǎo)致。

圖2 取樣管2直管段金相組織

圖3 取樣管2彎管段金相組織

取樣管1直管段金相組織照片如圖4所示。從圖4可以看出，取樣管1 直管上端金相組織為奧氏體，晶粒度正常，內(nèi)外壁組織較均勻。

圖4 取樣管1彎管金相組織

從圖4可以看出，取樣管1彎管上在靠近主裂紋的外壁側(cè)發(fā)現(xiàn)較多微裂紋（長(zhǎng)0.1～0.3mm），微裂紋沿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與主裂紋平行，裂紋內(nèi)存在氧化。取樣管1 彎管下在靠近主裂紋的外壁發(fā)現(xiàn)較多微裂紋（長(zhǎng)0.1～0.6mm），微裂紋沿晶擴(kuò)展，擴(kuò)展方向與主裂紋平行。主裂紋沿晶開裂，晶粒度4～5 級(jí)，為典型脆性斷裂特征。從斷口宏觀形貌可以看出，斷口呈鋸齒狀擴(kuò)展，從外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展。主裂紋附近存在多處由外向內(nèi)擴(kuò)展的微裂紋，微裂紋擴(kuò)展方向與主裂紋平行，最長(zhǎng)為0.6mm，裂紋沿晶界擴(kuò)展。

圖4 取樣管1直管金相組織

3.5 SEM分析

取樣管2彎管內(nèi)弧奧氏體晶界上M23C6析出相呈鏈狀分布，晶界析出相的寬度約為0.5μm。相關(guān)研究表明，粗化的M23C6析出相寬度達(dá)1μm 以上，而彎管內(nèi)弧晶界上M23C6析出相沒有發(fā)生明顯粗化，不會(huì)因此導(dǎo)致明顯的晶界貧Cr。

對(duì)原壁厚的小試樣進(jìn)行錘擊，斷口為明顯的“冰糖狀”沿晶斷口，斷口沿晶SEM 照片如圖6所示。

圖6 斷口沿晶SEM照片

呈現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，且斷口附近存在沿晶二次裂紋，室溫下該材料具有很大的脆性，與取樣管沖擊功不高于10J 相對(duì)應(yīng)，是TP310HCbN材料典型的時(shí)效脆化特性。

4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)分析TP310HCbN 化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了目前材料制造工藝成熟。事故管及周邊管的硬度符合規(guī)范要求，但脆性明顯提高，符合該材料特性。

玉環(huán)電廠HR3C 管運(yùn)行1年后，室溫拉伸抗拉強(qiáng)度約為750MPa，屈服強(qiáng)度為約500MPa，延伸率約為30%，明顯高于本文數(shù)據(jù)，但和原始管相比皆有下降，但兩個(gè)電廠測(cè)試數(shù)據(jù)方向相同。

Eddystone 電站HR3C 運(yùn)行1年后，室溫沖擊韌性低于20J/cm2，研究發(fā)現(xiàn)HR3C 運(yùn)行后脆性增加是由于G 相在晶界析出[3]。本文沖擊試驗(yàn)沖擊值已不高于10J，抵抗外力沖擊能力較弱，彎管部位相對(duì)直管更差。從斷口電鏡試驗(yàn)分析可知，斷口為明顯的“冰糖狀”沿晶斷口，為典型脆性斷裂特征，且存在沿晶二次裂紋，表明室溫下該材料具有很大脆性。HR3C經(jīng)過10000h時(shí)效以后，沖擊韌性將達(dá)到穩(wěn)定值，而不再下降[4]。

經(jīng)過2000h 運(yùn)行后對(duì)直管和彎管部位進(jìn)行了金相組織分析，晶粒度、夾雜物滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。直管部位金相組織為奧氏體組織，未觀察到孿晶組織，而彎管部位出現(xiàn)了部分孿晶，孿晶組織的比例與變形量密切相關(guān)。

SEM分析表明孿晶組織處析出彼此平行呈條棒狀的析出相，與晶界垂直，M23C6析出相的長(zhǎng)度約為2～10μm，條棒狀M23C6析出相的析出，與晶界處M23C6析出相的粗化一樣，會(huì)消耗該區(qū)域晶界的Cr含量，造成晶界貧Cr，孿晶組織處的晶界抗腐蝕性能降低。

5 結(jié)語(yǔ)

TP310HCbN 鋼在超超臨界鍋爐中大量使用，說明該材料制造工藝成熟，化學(xué)性能分析也驗(yàn)證了成分符合標(biāo)準(zhǔn)。但該材料經(jīng)過長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后，抵抗外力沖擊能力較弱、延伸率降低，塑韌性降低，具有脆化特性，使得該材料管道在鍋爐檢修時(shí)具有較高的要求，外壁機(jī)械損、碰撞以及在鍋爐安裝期間，需要對(duì)該材料管道對(duì)口時(shí)加強(qiáng)監(jiān)管，不能強(qiáng)行對(duì)口，否則容易造成應(yīng)力不能釋放，造成拉裂甚至導(dǎo)致爆管，需要加強(qiáng)金屬監(jiān)督。通過金相分析可以看出形變導(dǎo)致彎管處金相組織產(chǎn)生孿晶組織比例高于內(nèi)壁處。SEM分析可以看出，產(chǎn)生孿晶組織處的晶界抗腐蝕性能降低。因此，對(duì)該材料的加工工藝要求高。