長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行后高溫再熱器T91鋼管的沖擊韌性

柯 浩，張曉昱，歐陽(yáng)杰，孫 濤，徐雪霞，閻光宗

（河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021）

0 引 言

熱電廠高溫再熱器管等常用的T91 鋼的強(qiáng)化機(jī)制和傳統(tǒng)耐熱鋼的有很大差異，其在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中組織形態(tài)及常溫力學(xué)性能變化不太顯著，因此需要采用新的檢測(cè)方法對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中的老化特征進(jìn)行識(shí)別和標(biāo)定，并分析其運(yùn)行趨勢(shì)及特點(diǎn)，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。

為進(jìn)一步研究T91 鋼長(zhǎng)期運(yùn)行后性能的變化規(guī)律，作者對(duì)某電廠運(yùn)行11.5萬(wàn)h和6萬(wàn)h的T91再熱器管段以及原始管段進(jìn)行系列示波沖擊試驗(yàn)，著重研究了其長(zhǎng)期運(yùn)行后韌性的變化趨勢(shì)，并測(cè)定了其運(yùn)行11.5萬(wàn)h后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT50），最后結(jié)合斷口特征及沖擊性能研究了T91 鋼韌性的變化規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試樣均選自某發(fā)電廠9 號(hào)爐高溫再熱器T91鋼管，再熱器的工作壓力為2.4 MPa，溫度為540 ℃，鋼管規(guī)格為φ51 mm×4 mm。1 號(hào)試樣取自再熱器左數(shù)第49排外1圈，其運(yùn)行了11.5萬(wàn)h；2號(hào)試樣取自同樣運(yùn)行條件下的再熱器管，運(yùn)行時(shí)間為6萬(wàn)h；3號(hào)試樣取自原始管段。

采用RKP450型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，1 號(hào)試樣的沖擊溫度分別為-100，-80，-60，-50，-40，-20，0，27（常溫），40，60，80 ℃，并測(cè)定其FATT50；2、3 號(hào)試樣的沖擊溫度分別為27（常溫），-20，-50，-80，-100 ℃；夏比沖擊試驗(yàn)依據(jù)GB／T 229-2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》和GB／T 19748-2005《鋼材夏比V 型缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》進(jìn)行。示波沖擊試驗(yàn)機(jī)的標(biāo)稱能量為300J，擺錘刀刃半徑為8mm，所有試樣均為2.5mm×10mm×55mm 的非標(biāo)小試樣，開(kāi)V 型缺口。在進(jìn)行高溫及低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，考慮到試樣尺寸較小，散熱較為嚴(yán)重，故對(duì)試樣的過(guò)冷和過(guò)熱溫度補(bǔ)償值進(jìn)行了調(diào)整，補(bǔ)償范圍為4～5 ℃。

通過(guò)FEI Quanta 400型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，以確定解理斷面率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖擊韌性

由表1可見(jiàn)，1號(hào)試樣在0，27，40，60，80 ℃（上平臺(tái)溫度）的平均沖擊吸收能（AKV8）均在21.6～24.4J之間，在0 ℃以下（下平臺(tái)溫度）的AKV8為5～11.1J。

由圖1可知，1號(hào)試樣的FATT50為-40 ℃，其在0 ℃以上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)表現(xiàn)為100%剪切斷裂（40，60，80 ℃下的解理斷面率與27 ℃下的十分相近，圖中略），在-100 ℃以下時(shí)為純解理斷裂，可見(jiàn)，T91鋼在長(zhǎng)期運(yùn)行后仍具有優(yōu)良的塑韌性。由圖1還可以看出，在27 ℃時(shí)，三個(gè)試樣的斷口均為1 00%剪切斷裂；在-20～-100℃之間時(shí)，1號(hào)試樣的解理斷面率最高（韌性最差），3號(hào)試樣的解理斷面率最低（韌性最好），2號(hào)試樣的解理斷面率介于這兩者之間。這說(shuō)明隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，T91鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì)，這是材料塑韌性下降的一個(gè)重要標(biāo)志。

表1 1號(hào)試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.1 Impact characteristics of sample 1at different temperatures

圖1 1～3號(hào)試樣在不同溫度沖擊后斷口的解理斷面率Fig.1 Cleavage cross section rate of fracture in samples 1，2 and 3after impacting at different temperatures

一般認(rèn)為在沖擊試驗(yàn)中，當(dāng)達(dá)到最大力時(shí)，裂紋在沖擊試樣缺口處產(chǎn)生，因此把沖擊最大力作為裂紋形成的依據(jù)，最大力之前所消耗的能量稱為裂紋形成能Wi，最大力之后所消耗的能量稱為裂紋擴(kuò)展能Wp。由表1可以看出，1號(hào)試樣在上溫度平臺(tái)的塑性很好，裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中只產(chǎn)生裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，與圖1中對(duì)應(yīng)斷口的解理斷面率為0一致；沖擊溫度為-100 ℃時(shí)，僅出現(xiàn)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展，與圖1中對(duì)應(yīng)斷口的解理斷面率為100%一致；沖擊溫度在-20～-80 ℃時(shí)，同時(shí)具有穩(wěn)定和不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展，相應(yīng)斷口中的剪切斷裂和解理斷裂各占一定比例，如圖2所示。

圖2 1號(hào)試樣在不同沖擊溫度下的斷口形貌Fig.2 Fracture images of sample 1 at sifferent impact temperatures：（a）cleavage fracture rate of 27%,-20°C and（b）cleavage fracture rate of 56%,-60°C

剪切斷裂和解理斷裂斷口的微觀形貌如圖3所示，它們是判斷解理斷面率的重要依據(jù)。

圖3 1號(hào)試樣在不同沖擊溫度下典型斷口擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.3 Typical fracture propagatin zone images of sample 1 at different impcact temperatures：（a）dimple,27°C and（b）quasi-cleavage,-60°C

由于試樣的厚度很小，僅為2.5 mm，這使得1號(hào)試樣的裂紋形成能Wi及裂紋擴(kuò)展能Wp等特征值有一定誤差。由表1 可見(jiàn)，Wi／AKV8的分散度較大，但總的趨勢(shì)是隨溫度升高Wi／AKV8減小，即溫度升高后裂紋形成能Wi所占比例減小，但在上溫度平臺(tái)時(shí)Wi／AKV8隨溫度的升高變化不大。

另由表1可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展能Wp隨溫度升高而增加，即材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力提高。

2號(hào)和3 號(hào)試樣的變化趨勢(shì)與1 號(hào)試樣的相同，都是隨著試驗(yàn)溫度的升高，沖擊功AKV8和裂紋擴(kuò)展能Wp增大，即材料的韌性和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力提高。沖擊斷口的形貌均有明顯的韌窩區(qū)和解理區(qū)（圖略），只是隨著溫度升高，解理斷面率減小。

由表2，3和圖4可見(jiàn)，隨著沖擊溫度升高，三個(gè)試樣的裂紋擴(kuò)展能Wp均增加，即材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力提高；在相同的溫度下，3號(hào)試樣的裂紋擴(kuò)展能Wp最大，2號(hào)試樣的最小，這與斷口的解理斷面率隨溫度變化的規(guī)律不同。在相同溫度下，原始管段（3號(hào)試樣）的裂紋擴(kuò)展能Wp最大，而運(yùn)行6萬(wàn)h與11.5萬(wàn)h的Wp接近。分析認(rèn)為，運(yùn)行后由于組織老化，碳化物在晶界析出，鏈珠狀碳化物增加，晶內(nèi)彌散碳化物減少，導(dǎo)致晶界弱化，使得裂紋擴(kuò)展能量Wp減小，但是T91鋼的位錯(cuò)強(qiáng)化明顯，運(yùn)行前期位錯(cuò)密度下降明顯，伴隨著前期位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是亞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)初期兼并，促成亞結(jié)構(gòu)略有降低；運(yùn)行后期T91鋼位錯(cuò)密度雖有降低，但趨于穩(wěn)定，因此運(yùn)行6 萬(wàn)h 與11.5 萬(wàn)h 的 裂 紋 擴(kuò) 展 能Wp變 化不大。

表2 2號(hào)試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.2 Impact characteristics of sample 2 at different temperatures

表3 3號(hào)試樣在不同溫度下的沖擊性能Tab.3 Impact characteristics of sample 3 at different temperatures

圖4 1～3號(hào)試樣在不同溫度下的裂紋擴(kuò)展能Fig.4 Crack propagation energy of samples 1，2and 3after impacting at different temperatures

2.2 討 論

試驗(yàn)所用試樣為非標(biāo)小試樣，這對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了一定影響，同時(shí)給裂紋形成能Wi和裂紋擴(kuò)展能Wp等的判斷帶來(lái)了一定誤差。

根據(jù)前人對(duì)寬度為10 mm 標(biāo)準(zhǔn)試樣及寬度為7.5，5 mm 小試樣的示波沖擊試驗(yàn)研究結(jié)果可知［1］，隨著試樣尺寸的減小，脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，并且在韌-脆混合斷裂區(qū)非標(biāo)小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的Ak不能相互換算，因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展能Wp隨試樣厚度的變化不呈線性關(guān)系。

測(cè)得1號(hào)試樣的FATT50為-40 ℃，理論上比實(shí)際值偏低。但是由于運(yùn)行不同時(shí)間的試樣尺寸是一致的，故對(duì)于判斷高溫運(yùn)行后材料發(fā)生脆化的趨勢(shì)而言，結(jié)果是可信的。

3 結(jié) 論

（1）T91鋼在高溫下運(yùn)行11.5萬(wàn)h后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（FATT50）為-40 ℃。

（2）T91鋼在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行后，解理斷面率增大，裂紋擴(kuò)展能Wp降低，說(shuō)明其韌性降低。

（3）T91鋼長(zhǎng)期運(yùn)行后仍具有優(yōu)良的塑韌性，0 ℃以上沖擊斷口為100%剪切斷裂，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中均只產(chǎn)生裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，解理斷面率為0。

（4）隨沖擊溫度升高，原始管段以及運(yùn)行不同時(shí)間后再熱器T91鋼管的裂紋擴(kuò)展能Wp均增加；在相同溫度下原始管段的裂紋擴(kuò)展能Wp最大，而運(yùn)行6萬(wàn)h與11.5萬(wàn)h的Wp接近，這與T91鋼的組織老化和位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)理有關(guān)。

［1］邱曉剛，楊勇.沖擊試樣尺寸與韌-脆轉(zhuǎn)變過(guò)程的試驗(yàn)研究［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2004，40（12）：599-602.