T23、T91、TP347H鋼管長時服役后的顯微組織和拉伸性能

郭賚佳，谷樹超，段 鵬，丁憲飛，王 松，劉宇哲

(1.上海漕涇熱電有限責任公司，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用于壁溫不超過600 ℃的鍋爐過熱器和再熱器管[1-3]。末級過熱器和末級再熱器是火電機組鍋爐的關(guān)鍵承壓部件。在爐內(nèi)長期高溫作用下，材料會發(fā)生顯微組織退化，導致強度降低，嚴重時還會導致爆管事故[4-6]，給火電機組的安全運行帶來一定風險。研究受熱部件材料在高溫長時使用后的顯微組織及力學性能變化，評估受熱面管的材料狀態(tài)，對掌握鍋爐剩余壽命、保障火電機組安全可靠運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)境下同臺機組受熱面管材料的對比分析報道較少。T23鋼、T91鋼、TP347H鋼不同的化學成分和顯微組織決定了其不同的強化機理，因此在高溫服役環(huán)境中其顯微組織和力學性能的退化也有所差異。分析對比上述3種材料在相同服役環(huán)境下的顯微組織和力學性能變化，對于掌握類似高溫材料在服役過程中的性能劣化規(guī)律和使用裕度，保障鍋爐熱管安全運行有著重要的借鑒意義。為此，作者以服役約7.8萬h(12 a)的600 MW燃煤鍋爐末級再熱器T23鋼管、T91鋼管和TP347H鋼管為研究對象，分析了3種材料的顯微組織和拉伸性能，并對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)檢驗和剩余壽命評估提供基礎信息。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料取自600 MW超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流π型鍋爐末級再熱器管，鍋爐型號為SG-1913/25.4-M967。該鍋爐投產(chǎn)于2007年7月，至2019年3月累計運行時間78 215 h(約7.8萬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 ℃，煙氣進口溫度為1 077 ℃，煙氣出口溫度為973 ℃。末級再熱器與煙氣呈順流布置，由爐左(固定端)至爐右共設置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，對應鋼管規(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。末級再熱器管屏及具體取樣位置如圖1所示。經(jīng)檢測，同種材料末級再熱器間的化學成分基本一致，且均滿足ASME標準要求，如表1所示(所列數(shù)據(jù)均為各材料試樣中的1號試樣)。

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

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

1.2 試驗方法

在不同鋼管試樣上取樣，經(jīng)打磨、拋光，再分別用體積分數(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電解雙噴儀進行減薄，雙噴電壓為45 V，電解液為質(zhì)量分數(shù)7%的高氯酸酒精溶液，使用TECNAI F30型場發(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)鍋爐設計說明書提供的各管段介質(zhì)溫度信息，T23和T91鋼管試樣高溫拉伸試驗的溫度設定為525 ℃，TP347H鋼管試樣的設定為570 ℃。按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015，在各鋼管試樣上機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型微機控制電子萬能試驗機進行常溫和高溫靜態(tài)拉伸試驗。拉伸控制模式為應變速率控制，應變速率以平行長度估算，分別為0.000 25 s-1(屈服之前)和0.000 67 s-1(屈服之后)。為減小試驗誤差，防止偶然數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，顯微組織分析和力學性能試驗均在再熱器管迎煙側(cè)取樣，拉伸試驗均測試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 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

在相同條件下服役7.8萬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別評定原則，末級再熱器T23鋼管試樣的顯微組織老化級別為4級。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，同時存在粗大第二相。根據(jù)DL/T 1422-2015，末級再熱器TP347H鋼管試樣的顯微組織老化級別為3.5級。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別評定原則，末級再熱器T91鋼管試樣的顯微組織老化級別為4級。

圖3 服役7.8萬h后末級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)量分數(shù)分別為4.76%和17.01%，明顯高于基體中的相應元素含量(表1)。結(jié)合圖5(a)中碳化物衍射斑點分析可知，該碳化物為富鎢M6C相。長時高溫服役后，T23鋼中的M23C6型碳化物會發(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相的析出與長大，說明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h后末級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h后末級再熱器不同鋼管試樣的TEM形貌及晶界碳化物衍射斑點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)量分數(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。長時高溫服役后，TP347H鋼的晶界處會產(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，位錯線附近有較多彌散分布的MX型納米級沉淀相。這種細小的MX相可以在一些區(qū)域形成大量的位錯塞積和位錯墻，使位錯無法運動，從而提高鋼的強度[14-15]。

對于P91/T91鋼來說，隨服役時間延長，在原奧氏體晶界和馬氏體板條界面等位置會析出Laves相，并不斷長大。相比于富鉻M23C6相，Laves相中的鉬含量明顯增加，其化學式可表示為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])，這證實了T91鋼管試樣組織中已出現(xiàn)明顯長大的Laves相，與已有研究結(jié)果[18]相符。另外，T91鋼管試樣晶界內(nèi)可見彌散分布的MC型碳化物和周圍釘扎的位錯結(jié)構(gòu)，相比原始態(tài)T91鋼的板條形貌和高密度位錯結(jié)構(gòu)[19]，其馬氏體發(fā)生明顯碎化(呈節(jié)狀)，位錯密度降低，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，其固溶強化作用減弱；同時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力集中，產(chǎn)生蠕變孔洞。此外，對于TP347H奧氏體不銹鋼而言，M23C6相在晶界處的不斷析出和長大，不僅會造成其韌性的下降，還會在晶界形成貧鉻區(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，T23鋼、TP347H鋼和T91鋼的屈服強度下限分別為400，205，415 MPa；抗拉強度下限分別為510，515，585 MPa；斷后伸長率下限分別為20%，35%，20%。由圖6可知：高溫服役約7.8萬h后，不同位置TP347H鋼管試樣的常溫拉伸性能均滿足標準要求，其屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率均遠高于標準下限值；T91-1號試樣的抗拉強度和T91-2號試樣的伸長率分別低于和接近標準下限值，其他指標均滿足標準要求，但接近標準下限值；不同位置T23鋼管試樣的強度指標均低于標準下限值，伸長率滿足標準要求。綜上可知：高溫服役7.8萬h后，T23鋼和T91鋼的常溫拉伸性能發(fā)生劣化；TP347H鋼則無論是強度還是塑性，均表現(xiàn)出較寬的使用裕度。

圖6 服役7.8萬h后末級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)插法計算得到T23鋼、TP347H鋼和T91鋼在試驗溫度下的最小屈服強度分別為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度均低于其標準下限值(314.5 MPa)；所有TP347H和T91鋼管試樣的高溫屈服強度均滿足標準要求，但T91鋼管試樣的抗拉強度低于ASME SEC Ⅱ D SB PT 1-2005規(guī)定的在525 ℃下的最低抗拉強度(410 MPa)。另外，在高溫狀態(tài)下，TP347H鋼表現(xiàn)出最大的抗拉強度降幅，最小的屈服強度降幅，以及最大的伸長率降幅；服役7.8萬h后TP347H鋼在高溫下的延展性明顯降低。

圖7 服役7.8萬h后末級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

屈強比是指屈服強度與抗拉強度的比值，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，屈強比愈小，鋼材在受力超過屈服點工作時的可靠性愈大，結(jié)構(gòu)安全性愈高。然而屈強比太小，鋼材不能得到有效的利用，又會造成鋼材浪費[22]。由圖8可知：無論是常溫還是高溫狀態(tài)，TP347H鋼管試樣的屈強比均最小，說明高溫服役7.8萬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種鋼管試樣的屈強比均有所升高，說明高溫狀態(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h后末級再熱器不同鋼管試樣的室溫和高溫屈強比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h后，末級再熱器不同位置處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Laves相；T23、TP347H和T91鋼管試樣的顯微組織老化級別分別為4級、3.5級和4級。

(2) 服役7.8萬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)嚴重的劣化傾向，且低于標準規(guī)定的下限指標；T91鋼管試樣的抗拉強度明顯下降；TP347H鋼管試樣的拉伸性能則滿足標準要求。

(3) 在高溫服役過程中，相比于T23和T91鋼管試樣，TP347H鋼管試樣呈現(xiàn)良好的強度和結(jié)構(gòu)安全性，但在高溫狀態(tài)下的斷后伸長率明顯降低，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，因此應注意防范其晶間腐蝕。