HR3C鋼長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后的組織性能研究

李艷軍，牛保獻(xiàn)

(河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，鄭州　450052)

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HR3C鋼長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后的組織性能研究

李艷軍，牛保獻(xiàn)

(河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，鄭州450052)

摘要：對(duì)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后的HR3C鋼管材進(jìn)行了機(jī)械性能和金相組織檢驗(yàn)，并與備用新管進(jìn)行比較，通過(guò)試驗(yàn)可知HR3C鋼管材的強(qiáng)度與備用新管差別不大，但脆性明顯增加，斷后延伸率及沖擊韌性大幅降低，大量碳化物在晶界呈片狀分布，降低了晶界強(qiáng)度，使材料容易沿晶界脆斷。

關(guān)鍵詞：HR3C鋼；奧氏體；耐熱鋼；超超臨界

表1　管樣機(jī)械性能

0引言

HR3C鋼是日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社在TP310H奧氏體不銹鋼中添加N和Nb元素而開(kāi)發(fā)出來(lái)的25Cr20Ni型奧氏體不銹鋼，被命名為HR3C。在600～750 ℃條件下，HR3C鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度明顯高于TP347H，TP310系列耐熱鋼，同時(shí)其高溫抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能明顯優(yōu)于18Cr-8Ni型耐熱鋼，目前已被廣泛應(yīng)用于超超臨界鍋爐高溫過(guò)熱器、高溫再熱器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高再)[1-4]。對(duì)HR3C鋼長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行后的組織性能進(jìn)行研究，對(duì)鍋爐壽命評(píng)估具有重要意義。

河南某電廠(chǎng)#1機(jī)組為600 MW超超臨界機(jī)組，于2012年11月1日投產(chǎn)運(yùn)行，啟、停10余次，截至2015年3月5日，#1機(jī)組高再爐管已累計(jì)運(yùn)行約810 d。試驗(yàn)取樣的高再爐管材質(zhì)為HR3C，規(guī)格為? 57 mm×4 mm，運(yùn)行溫度在620～630℃。

1性能試驗(yàn)

試驗(yàn)選取原始備用新管1根，運(yùn)行中爐管4根。運(yùn)行爐管取樣位置為高再?gòu)哪舷虮钡?3～46排最外圈，對(duì)所取管樣進(jìn)行以下試驗(yàn)分析。

1.1機(jī)械性能檢測(cè)

備用新管和第43～46排管材室溫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。備用新管抗拉強(qiáng)度和硬度符合相關(guān)要求，拉斷試樣有明顯頸縮，斷后延伸率在40%以上。第43～46排管材試樣的抗拉強(qiáng)度和硬度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，但延伸率則遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求(ASME Code Case 2115-1要求抗拉強(qiáng)度大于655 MPa，斷后延伸率大于30%，硬度小于256 HB)。

受管樣規(guī)格限制，無(wú)法加工標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，所加工的沖擊試樣尺寸為5 mm×3 mm×55 mm，缺口為1 mm的V型缺口，所得數(shù)據(jù)僅用于比較沖擊韌性的降低幅度。

拉伸試樣斷口形態(tài)如圖1所示，備用新管延伸性能良好，而第43～46排管樣斷口周邊幾乎沒(méi)有塑性形變現(xiàn)象，無(wú)明顯頸縮，斷口平齊，斷面呈亮灰色，顯示出明顯的脆性特征。通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知，運(yùn)行管樣斷后延伸率和沖擊韌性均降低了80%以上。

1.2金相檢驗(yàn)

試驗(yàn)采用FeCl3鹽酸水溶液作為浸蝕劑，HR3C備用新管的金相組織如圖2所示，是組織形態(tài)良好的奧氏體組織；而第43～46排運(yùn)行管材耐浸蝕性能較差，需將標(biāo)準(zhǔn)FeCl3鹽酸水溶液稀釋為原來(lái)的20%后浸蝕做金相檢驗(yàn)，說(shuō)明運(yùn)行爐管抗腐蝕性能降低。在金相顯微鏡下觀(guān)察到第43～46排HR3C管材晶界較寬，有大量析出物呈片狀連續(xù)分布。由于第43～46排管材組織相同，以第44排管樣組織為例，如圖3、圖4所示。

圖1　備用新管及第43～46排管樣拉伸斷口形態(tài)

圖2　HR3C鋼備用新管金相組織

圖3　第44排管最外圈金相組織(500×)

圖4　第44排管最外圈金相組織(1 000×)

圖5為管材拋光態(tài)下的形貌，拋光態(tài)下組織晶界清晰可見(jiàn)，說(shuō)明晶界析出了連續(xù)的第2相，并且與晶粒內(nèi)性能差異較大。圖6為第1爆口附近管段試樣斷裂形態(tài)，可以看出，試樣在拉伸斷裂時(shí)是沿晶脆斷，說(shuō)明晶界是運(yùn)行管的薄弱部分。

圖5　第44排管樣拋光態(tài)形貌(500×)

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

該電廠(chǎng)所提供的高再備用新管組織及各項(xiàng)機(jī)械性能均正常，而運(yùn)行中爐管的拉伸斷口無(wú)明顯頸縮，斷口平齊，斷面呈亮灰色，顯示出明顯的脆性特征，并且其斷后延伸率僅為10%左右，材料的強(qiáng)度雖無(wú)明顯降低，但韌性和塑性極差。從金相檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，運(yùn)行爐管組織晶界較寬且有大量薄片狀析出物連續(xù)分布，拉伸斷裂屬于沿晶斷裂，長(zhǎng)期運(yùn)行后的HR3C管材在受到撞擊時(shí)很容易引起沿晶脆斷。

HR3C管材在600～750 ℃范圍內(nèi)時(shí)效常見(jiàn)析出物為NbCrN，MX，M23C6及δ脆性相，其中M23C6會(huì)沿晶界析出和生長(zhǎng)，起初在晶界上呈鏈狀分布，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效后，晶界上M23C6明顯增多，并呈連續(xù)片狀分布，這在很大程度上削弱了晶界強(qiáng)度[4-6]。本次試驗(yàn)中運(yùn)行爐管晶界有大量連續(xù)薄片狀析出物，其特征符合有關(guān)文獻(xiàn)中論述的M23C6析出物特征[7-8]，故認(rèn)為試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的晶界片狀析出物為M23C6，大量碳化物的析出消耗了晶界附近較多合金元素,在晶界附近可能造成合金元素的貧化帶，使晶界強(qiáng)度大大降低，因此拉伸試驗(yàn)時(shí)的斷裂方式呈沿晶脆斷。另外，M23C6是硬脆相，與基體塑性變形不一致，在應(yīng)力作用下將阻礙基體的塑性變形，從而在晶界基體金屬和M23C6粒子之間引發(fā)裂紋，容易沿晶界發(fā)生脆性斷裂。

圖6　第44管樣拉伸斷口形態(tài)(200×)

3結(jié)論

(1)HR3C爐管長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后強(qiáng)度變化不大，但脆性明顯增加，延伸率及沖擊韌性遠(yuǎn)低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)在620～630 ℃運(yùn)行810 d后，HR3C管子組織晶界變寬且有大量薄片狀M23C6析出物連續(xù)分布，并使晶界強(qiáng)度降低。

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(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期：2016-04-07；修回日期：2016-05-18

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 115.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1951(2016)05-0043-03

作者簡(jiǎn)介：

李艷軍(1983—)，男，河南濮陽(yáng)人，助理工程師，工學(xué)碩士，從事電力系統(tǒng)金屬技術(shù)監(jiān)督、失效分析、理化檢測(cè)方面的工作(E-mail:liyanjun1202@163.com)。