超超臨界機(jī)組P92鋼管運(yùn)行16 000 h后的性能分析

柯文石,洪道文,劉鴻國,蔡暉,張峰,殷尊,唐麗英,侯召堂,常毅君,陳建江

(1.華能玉環(huán)電廠,浙江省臺州市,317604;2.西安熱工研究院,西安市,710032)

0 引言

華能玉環(huán)電廠4×1 000 MW機(jī)組是我國首批超超臨界機(jī)組[1-2],該電廠的高溫再熱器、高溫過熱器集箱,主蒸汽管道,再熱蒸汽管道及其連接管等采用了P92鋼。較T/P91鋼而言,T/P92鋼的高溫強(qiáng)度和蠕變性能得到較大提高,在相同的工作溫度、壓力或設(shè)計壽命條件下,采用 T/P92鋼可降低鍋爐及管道系統(tǒng)的重量,增加管道系統(tǒng)柔度,減少膨脹力;降低端點推力和力矩,減少支、吊架的載荷;允許機(jī)組較快地變化負(fù)荷,縮短啟動時間;降低投資成本。在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下,能進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作溫度,從而提高系統(tǒng)的熱效率。改良的9～12Cr型鐵素體鋼因熱強(qiáng)性較高、成本較低、工藝和使用性能良好等諸多優(yōu)點在超臨界、超超臨界火電機(jī)組中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。了解這類新型鐵素體耐熱鋼運(yùn)行后的組織和性能變化,積累材料運(yùn)行數(shù)據(jù),對保障電廠安全生產(chǎn)有重要意義。本文對超超臨界機(jī)組運(yùn)行 16 000 h后的主蒸汽管道 P92取樣管進(jìn)行了性能試驗。

1 試驗材料和方法

首先對 P92取樣管進(jìn)行了化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,表中的ASME標(biāo)準(zhǔn)為ASME SA 335/ 335M—2004《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》[7]。分析結(jié)果表明,P92取樣管的 C和 B含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值,但在成分的允許偏差內(nèi),其余元素的含量均符合ASME SA335標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

在P92取樣管上加工拉伸樣,然后按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和 GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》在 SANS CMT5205型電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行室溫和高溫(600℃)拉伸性能試驗;按GB/T 229—2007《金屬夏比擺錘沖擊試驗方法》在RKP450擺錘式示波沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗;利用Quanta 400掃描電子顯微鏡對P92取樣管的沖擊試樣斷口進(jìn)行分析;使用 HB3000C型布氏硬度試驗機(jī)對樣品按GB 231—2002《金屬布氏硬度實驗》進(jìn)行硬度檢測;按 DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導(dǎo)則》的要求制作金相試樣,在OLYMPUS GX71金相顯微鏡下觀察顯微組織形貌;對顯微組織進(jìn)行背散射電子圖像分析和EDS定量分析;最后對P92取樣管進(jìn)行碳化物的元素轉(zhuǎn)移分析。

表1 管樣化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Chemical com position analysisof the samp ling steel tube

2 P92鋼特性試驗

2.1 拉伸性能試驗

P92鋼的室溫拉伸性能測試結(jié)果見圖 1。ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定P92鋼的室溫抗拉強(qiáng)度不低于620 MPa,非比例延伸強(qiáng)度不低于 440 MPa,斷后伸長率不低于16%[7]。從圖 1中可看出,P92鋼運(yùn)行 16 000 h后,室溫抗拉強(qiáng)度和規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度分別達(dá) 703, 543MPa,依然保持在較高水平;斷后伸長率減少20%,說明 P92鋼塑性有所下降。P92鋼高溫拉伸性能測試結(jié)果見圖2,由于ASME標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了P92鋼在 525℃的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度值,所以本試驗參考GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》[8]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10Cr9MoW 2VNbBN的600℃非比例延伸強(qiáng)度。由圖2可知,P92鋼運(yùn)行 16 000 h后,高溫(600℃)非比例延伸強(qiáng)度值依然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 沖擊試驗

試驗室溫沖擊性能結(jié)果見表 2,P92鋼的 4個平行試樣中,有 2個未折斷,具有較高的沖擊韌性。由于ASME SA 335標(biāo)準(zhǔn)對P92鋼沖擊功無明確規(guī)定,參照 GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》[8]對10Cr9MoW 2VNbBN的沖擊吸收能量的要求(全尺寸試樣沖擊吸收能量大于40.00 J),P92鋼在運(yùn)行16 000 h后,小尺寸的沖擊吸收能量在 80 J以上,沖擊韌性未明顯降低。

表2 P92鋼管的沖擊性能Tab.2 Impact properties of P92 steel tube

2.3 斷口分析

P92取樣管沖擊試樣斷口的纖維區(qū)不同放大倍數(shù)下的微觀形貌如圖 3所示,放大倍數(shù)分別為 500, 1 000倍?？梢钥闯隼w維區(qū)發(fā)生塑性變形,表現(xiàn)出韌性斷裂特征:纖維區(qū)分布著大小相對均勻的等軸韌窩,并且韌窩中存在第二相粒子。從斷口分析來看,運(yùn)行 16 000 h的P92取樣管依然具有良好的強(qiáng)韌性,為延性金屬材料。

對纖維區(qū)韌窩中的第二相粒子進(jìn)行能譜儀(energy disperse spectrum,EDS)定量分析,點掃描析結(jié)果見圖 4。由圖4可知,第二相粒子主要為碳化物質(zhì)點,形成了韌窩的核心。第二相質(zhì)點的尺寸和韌窩的尺寸關(guān)系密切,一般地,較大的韌窩中有較大的質(zhì)點。當(dāng)僅存在尺寸均勻的一種第二相質(zhì)點,且基體金屬的塑性變形能力較強(qiáng)時,往往生成尺寸均勻一致的韌窩。

圖3 P92取樣管的沖擊試樣斷口纖維區(qū)微觀形貌Fig.3 Fibrous region morphology at fracture of im pact sam pling with P92 steel

2.4 硬度試驗

圖4 P92取樣管沖擊試樣韌窩中第二相粒子的EDS點掃描分析結(jié)果Fig.4 EDSspot scanning analysis results of second-phase particles at dim ple of impact samp ling with P92 steel

試驗結(jié)果如表3所示,SME SA 335規(guī)定P92鋼的硬度不超過250 HB,DL/T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》[9]要求 P92鋼的硬度值控制在180～250 HB,根據(jù)試驗結(jié)果,運(yùn)行16 000 h后的P92取樣管滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 P92的硬度測量結(jié)果Tab.3 Hardness testing results of P92 steel

2.5 微觀組織分析

P92取樣管的橫向金相組織、縱向金相組織、背散射電子圖像見圖 5。根據(jù)顯微組織形貌,運(yùn)行16 000 h后,P92取樣管橫向截面和縱向截面的金相組織均為板條狀馬氏體,馬氏體板條晶界依然清晰可見,晶內(nèi)和晶界上均有細(xì)小的顆粒狀碳化物析出。

2.6 EDS定量分析

為了確定析出相類型,在掃描電鏡下對金相試樣進(jìn)行了觀察,并采用能譜定量分析對析出相的成分進(jìn)行了分析,結(jié)果見圖 6。通過對 P92取樣管的掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察和EDS能譜分析,發(fā)現(xiàn)圖 6中a點的析出相主要為M23C6型碳化物,不斷的集聚長大;b點的 W含量最高,析出相里含有Fe2W型Laves相,彌散分布。

圖5 P92取樣管的組織特征Fig.5 Organizational characteristics of the sam pling P92 steel tube

Laves相結(jié)構(gòu)為A2B型金屬間化合物(其中A為Fe,B為W或Mo)[10],一般在600℃以上長期服役條件下產(chǎn)生。通常認(rèn)為Laves相的析出導(dǎo)致了9Cr耐熱鋼基體內(nèi)M o,W元素含量的降低,減弱了固溶強(qiáng)化,因此會使 P92鋼硬度和強(qiáng)度下降。但 W元素有比Mo元素更低的擴(kuò)散系數(shù),P92鋼中的Laves相在 P92鋼中細(xì)小且尺寸穩(wěn)定,長期蠕變后其尺寸甚至低于M23C6,因此其對P92鋼起到了強(qiáng)化作用。而 Z相形成于原奧氏體晶界附近,一般在 600℃服役10 000 h以上產(chǎn)生,其結(jié)構(gòu)為Cr(V,Nb)N。隨著服役時間的延長,M23C6型碳化物明顯粗化,并且 P92鋼還會析出Z相,Z相是在MX的基礎(chǔ)上形成的,細(xì)小彌散MX相的大量消耗和Z相的迅速長大都能降低材料的力學(xué)性能。

圖6 P92取樣管析出相的EDS點掃描位置Fig.6 EDS spot scanning positionsof precipitated phase for the sam p ling P92 steel tube

2.7 碳化物元素轉(zhuǎn)移分析

對P92鋼的取樣管進(jìn)行碳化物元素轉(zhuǎn)移分析,分析結(jié)果見圖 7。結(jié)果表明,運(yùn)行 16 000 h后,P92取樣管中合金元素Nb、V、Mo、Cr和W從固溶體向碳化物中轉(zhuǎn)移,表明組織發(fā)生一定的老化現(xiàn)象。其中 Nb元素的轉(zhuǎn)移量最大,達(dá) 82.3%,所以晶內(nèi)彌散析出MX相,即Nb,V(C,N)相,由于合金元素Cr、Mo、V、W在析出物中增多,所以在 P92鋼在 600℃下服役,還會析出M23C6型碳化物、Z相(CrNbN)、Laves相等碳(氮)化物。

3 試驗結(jié)果分析

P92管在600℃、160 MPa、9 755 h的蠕變試驗后的板條狀馬氏體晶界上析出 M23C6型碳化物,已呈鏈狀分布;并能看到聚集的Laves相、彌散分布的MX相[11]。而玉環(huán)電廠的主蒸汽管道的取樣管 P92中M23C6型碳化物開始聚集,并未呈鏈狀分布,Laves相的尺寸細(xì)小且相對穩(wěn)定,析出強(qiáng)化效果未明顯減弱,所以玉環(huán)電廠P92鋼在運(yùn)行16 000 h后強(qiáng)度依然保持在較高水平。

圖7 P92取樣管的碳化物元素轉(zhuǎn)移分析結(jié)果Fig.7 Carbide elem ents transition for the sam pling P92 steel tube

T92/P92鋼手冊中 P92鋼的室溫規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度為450～600 MPa,600℃條件下的非比例延伸強(qiáng)度不大于400 MPa;P92鋼的室溫抗拉強(qiáng)度為620～760MPa,600℃條件下的抗拉強(qiáng)度不大于400 MPa; P92鋼的室溫沖擊吸收能量為 160～170 J。從上面的性能試驗結(jié)果來看,玉環(huán)電廠的主蒸汽管道 P92取樣管的力學(xué)性能指標(biāo)均符合 T92/P92鋼手冊,并且也滿足ASME SA 335 335M—2004《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對 P92鋼的性能要求以及 GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管 》標(biāo)準(zhǔn)對10Cr9MoW 2VNbBN的性能要求。

4 結(jié)論

(1)P92鋼運(yùn)行 16 000 h后的室溫抗拉強(qiáng)度和規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度分別達(dá) 703,543 MPa,依然保持在較高水平,滿足ASME SA 335 335M—2004《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對 P92鋼的性能要求。

(2)P92鋼運(yùn)行16 000 h后的高溫(600℃)非比例延伸強(qiáng)度值滿足GB 5310—2008《高壓鍋爐用無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)對10Cr9M oW 2VNbBN的性能要求。

(3)P92鋼運(yùn)行 16 000 h后的沖擊吸收能量在160 J以上,沖擊韌性未明顯降低。

(4)P92鋼運(yùn)行16 000 h后沖擊試樣的斷口顯示出韌性斷口的宏觀特征,沖擊試樣的纖維區(qū)分布著大小相對均勻的等軸韌窩,并且韌窩中存在第二相粒子。

(5)P92鋼運(yùn)行 16 000 h后的析出相主要為M23C6型碳化物,不斷的集聚長大,發(fā)生粗化現(xiàn)象,其次為MX相,即Nb,V(C,N),還含有Fe2W型Laves相。

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