P92鋼時(shí)效過程中沖擊性能和硬度變化的試驗(yàn)

張紅軍, 周榮燦, 于在松

(西安熱工研究院有限公司,西安710032)

目前,我國在役和在建的超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的主蒸汽管道均采用P92鋼.在P91鋼的基礎(chǔ)上,P92鋼是通過添加W、降低Mo含量,并加入B等微合金化元素而形成的新型馬氏體耐熱鋼.對P92鋼的蠕變、持久性能與焊接性能進(jìn)行了廣泛研究,蠕變后的微觀組織分析也有大量的文獻(xiàn)報(bào)道[1-7],但大多限于實(shí)驗(yàn)室蠕變試驗(yàn),難于獲取沖擊試驗(yàn)試樣.沖擊性能是耐熱鋼一個(gè)重要的力學(xué)性能,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對P92鋼的沖擊吸收能量作了規(guī)定,但關(guān)于P92鋼時(shí)效后沖擊性能變化的報(bào)道甚少.在國內(nèi),曾進(jìn)行了 T92鋼在650℃、700℃、725℃和750℃時(shí)效過程中的組織和硬度分析[8-9],但P92鋼和T92鋼的光學(xué)金相組織形貌存在一定差異.因此,有必要對P92鋼進(jìn)行長期時(shí)效試驗(yàn),研究其沖擊吸收能量和硬度在時(shí)效過程中的變化,為超超臨界機(jī)組高溫高壓部件用鋼(P92鋼)的安全運(yùn)行和狀態(tài)評估提供參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)試樣取自進(jìn)口的P92鋼管,熱處理狀態(tài)為正火+回火,其化學(xué)成分列于表1.對試樣在650℃進(jìn)行了不同時(shí)間段的時(shí)效試驗(yàn),獲得了 500 h、1 000 h、3 000 h和10 000 h的時(shí)效試樣.

表1 試驗(yàn)用P92鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of the P 92 steel tested%

在時(shí)效前后的試樣上取標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)試樣,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm,采用RKP 450示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊吸收能量的測定,并采用HB 3000-C型電子布氏硬度計(jì)對時(shí)效前后的材料進(jìn)行硬度試驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊試驗(yàn)

圖1為P92鋼650℃時(shí)效后沖擊吸收能量的變化.由圖1可知:與原始樣比較,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,沖擊吸收能量單調(diào)下降,時(shí)效導(dǎo)致P92鋼脆化.在時(shí)效初期,脆化速度較快;當(dāng)時(shí)效為500 h時(shí),沖擊吸收能量降低約50%;當(dāng)時(shí)效為1 000 h時(shí),沖擊吸收能量降低約60%;在時(shí)效為1 000 h后,沖擊吸收能量降低速度變緩并趨于穩(wěn)定;當(dāng)時(shí)效在10 000 h后,沖擊吸收能量下降到 37 J,下降約70%.

回火參數(shù)是綜合考慮回火溫度和時(shí)間的一個(gè)參數(shù),其計(jì)算公式為:

式中:P為回火參數(shù);T為回火溫度,K;t為回火時(shí)間,h.

借鑒回火參數(shù)的計(jì)算公式,依據(jù)時(shí)效試驗(yàn)溫度和時(shí)間,獲取時(shí)效不同階段的回火參數(shù)(P),建立了沖擊吸收能量(KV8)和回火參數(shù)(P)的變化關(guān)系(見圖1),兩者基本呈線性關(guān)系,表達(dá)式為:

隨著回火參數(shù)的增加,沖擊吸收能量線性下降利用回火參數(shù)的計(jì)算公式,可將高溫短時(shí)間下的時(shí)效狀態(tài)換算為低溫長時(shí)間的時(shí)效狀態(tài).在650℃時(shí)效為500 h、1 000 h、3 000 h和10 000 h的狀態(tài)可換算為600℃時(shí)效 9 977 h、20 763 h、66 335 h和236 902 h.結(jié)合各時(shí)效狀態(tài)的沖擊吸收能量,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:600℃時(shí)效約為10 000 h,P92鋼的沖擊吸收能量將會(huì)降低50%,但當(dāng)時(shí)效時(shí)間長達(dá)236 902 h時(shí),沖擊吸收能量約為 37 J.可見,雖然P92鋼的沖擊性能在時(shí)效過程中發(fā)生了一定程度的脆化,但仍在目前我國超超臨界機(jī)組實(shí)際設(shè)計(jì)溫度和壽命內(nèi),且其韌性較好.

圖1 P92鋼在650℃時(shí)效試驗(yàn)中沖擊吸收能量的變化Fig.1 Evolution of impact absorbed energy of the P92 steel after againg tests at 650℃

文獻(xiàn)[10]介紹了P92鋼在650℃不同時(shí)效時(shí)間下的沖擊性能,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,韌脆轉(zhuǎn)變溫度逐漸提高,在650℃下時(shí)效1 000 h、3 000 h和10 000 h,試樣的韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別約為20℃、30℃和40℃,原始態(tài)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-28℃.

文獻(xiàn)[11]介紹了P92鋼焊縫金屬在625℃下時(shí)效不同時(shí)間的沖擊性能,時(shí)效為1 000 h,沖擊吸收能量由焊后熱處理狀態(tài)的70 J左右降低到20 J左右,時(shí)效3 000 h后的沖擊吸收能量僅約為12 J,且時(shí)效試樣組織中出現(xiàn)大量Laves相.對于焊縫金屬,利用回火參數(shù)的計(jì)算方程,可將625℃下時(shí)效1 000 h和3 000 h的狀態(tài)換算為600℃下時(shí)效4 556 h和14 107 h.依據(jù)此計(jì)算結(jié)果可知:P92鋼焊縫金屬在600℃運(yùn)行約5 000 h時(shí)將可能發(fā)生很大程度的脆化.

P92鋼在600℃以上的時(shí)效導(dǎo)致了沖擊吸收能量的顯著下降和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的顯著升高,尤其是焊縫金屬,時(shí)效脆化程度很大.目前,國內(nèi)超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的主蒸汽溫度在600～610℃,材質(zhì)為P92鋼的主蒸汽管道和聯(lián)箱等使用的時(shí)間還不長.根據(jù)本研究結(jié)果,主蒸汽管道或聯(lián)箱采用P92鋼母材在運(yùn)行過程中可導(dǎo)致沖擊吸收能量的顯著下降,但P92鋼在供貨狀態(tài)下的沖擊吸收能量較高,強(qiáng)韌性也好,在600℃下運(yùn)行二十多萬小時(shí)后,沖擊吸收能量估計(jì)仍有37 J.與母材不同,P92鋼焊縫金屬由于晶粒粗大,且焊后熱處理狀態(tài)下的沖擊吸收能量比母材低,在運(yùn)行過程中,600℃、5 000 h狀態(tài)下的沖擊吸收能量可降低至20 J左右,脆化程度很大.因此,P92鋼在運(yùn)行過程中的熱時(shí)效脆化問題應(yīng)引起足夠重視,特別是焊縫金屬.

2.2 硬度試驗(yàn)

圖2為P92鋼在650℃時(shí)效硬度的變化.從圖2可知:P92鋼在650℃時(shí)效硬度的變化與沖擊吸收能量的試驗(yàn)結(jié)果相似,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,硬度逐漸降低.硬度降低的速度隨時(shí)效時(shí)間的增加而逐漸減慢.650℃、10 000 h時(shí)效后的硬度約由供貨狀態(tài)的225 HB下降到215 HB,整個(gè)時(shí)效時(shí)期內(nèi)硬度下降的幅度不明顯.

在時(shí)效期內(nèi),P92鋼的組織發(fā)生回復(fù),W和Mo等固溶強(qiáng)化元素脫溶形成新相或擴(kuò)散到已存在的第二相顆粒中,如形成Laves相,同時(shí)位錯(cuò)密度下降,馬氏體板條發(fā)生多邊化等.組織的變化引起各強(qiáng)化方式對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)量不斷變化:固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化作用降低,沉淀強(qiáng)化作用增加反映在硬度上,固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化導(dǎo)致強(qiáng)度降低的程度略大于沉淀強(qiáng)化帶來的強(qiáng)度增加.但是,文獻(xiàn)[9]在對T92鋼在700～750℃的時(shí)效研究后發(fā)現(xiàn):該鋼硬度降低幅度較大,且隨著時(shí)效溫度的提高,降低的程度增大;在同一溫度下,隨著時(shí)效時(shí)間的增加,硬度降低的速度逐漸減慢.造成這種時(shí)效試驗(yàn)后硬度降低幅度不同的主要原因是:時(shí)效溫度不同導(dǎo)致在組織上的變化存在差異,在650℃時(shí)效后Laves相的析出程度大于在700～750℃的時(shí)效.

當(dāng)運(yùn)行溫度在600℃時(shí),材質(zhì)為P92鋼的主蒸汽管道在服役過程中,理論上硬度會(huì)發(fā)生變化,可反映出組織的老化.但根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果,正常組織的P92鋼管在使用過程中,硬度值的變化不大;并且,在硬度測試過程中,產(chǎn)生的隨機(jī)誤差較大.因此,采用硬度指標(biāo)對P92鋼的材質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行評估還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究.

從650℃時(shí)效過程中沖擊吸收能量和硬度值的變化程度來看,沖擊吸收能量的變化更能明顯反映P92鋼時(shí)效時(shí)組織的變化.

圖2 P92鋼在650℃時(shí)效試驗(yàn)中硬度的變化Fig.2 Evolution of hardness of the P92 steel after tests at 650℃

3 結(jié) 論

(1)P92鋼有一定的熱時(shí)效脆性,時(shí)效初期脆化速度快,隨后放慢,650℃時(shí)效500 h試樣的沖擊吸收能量約降低50%,但隨著時(shí)效時(shí)間的增加,沖擊吸收能量逐漸趨于穩(wěn)定.

(2)建立了P92鋼時(shí)效時(shí)沖擊吸收能量和回火參數(shù)之間的線性函數(shù)關(guān)系.

(3)P92鋼母材600℃時(shí)運(yùn)行10 000 h,沖擊吸收能量降低50%,估計(jì)運(yùn)行二十多萬h仍具有較高的韌性,但焊縫金屬在5 000 h時(shí)沖擊吸收能量即發(fā)生大幅度下降,且脆化程度很大.

(4)P92鋼的硬度隨時(shí)效時(shí)間的增加逐漸降低,并趨于穩(wěn)定,但降低幅度較小.

(5)P92鋼的使用時(shí)間不長,時(shí)效或運(yùn)行狀態(tài)下組織性能會(huì)發(fā)生較大變化,特別是焊縫金屬,在實(shí)際運(yùn)行中仍應(yīng)加強(qiáng)對該金屬的監(jiān)督.

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