Super304H管材高溫服役過程組織與性能的變化

田　曉，　徐　慧，　劉響亮，　李益民，　董方奇，　肖國華，　楊百勛

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

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Super304H管材高溫服役過程組織與性能的變化

田曉，徐慧，劉響亮，李益民，董方奇，肖國華，楊百勛

(西安熱工研究院有限公司， 西安 710032)

通過室溫拉伸、沖擊試驗、硬度測試、金相組織分析、掃描電鏡及能譜分析等，對600 ℃超超臨界鍋爐用國產(chǎn)Super304H管材高溫服役過程的微觀組織和力學性能進行了試驗分析.結(jié)果表明：與國產(chǎn)原始鋼管相比，高溫服役后國產(chǎn)Super304H管材的室溫強度和硬度升高、塑性和韌性下降，焊接接頭的強度、硬度、沖擊韌性不斷降低且明顯低于同一服役時間的母材.服役30 000 h以上后，管材的力學性能仍處于較高水平，基體組織穩(wěn)定，晶粒未見長大，微觀組織開始出現(xiàn)M23C6沿晶界呈鏈狀分布的老化跡象.可見，國產(chǎn)Super304H管材組織狀態(tài)良好，在目前600 ℃超超臨界機組設(shè)計條件下可穩(wěn)定運行，建議加強對國產(chǎn)Super304H管材焊接接頭的金屬監(jiān)督.

超超臨界鍋爐； 國產(chǎn)Super304H管材； 高溫服役； 力學性能； 微觀組織； 老化

日本住友金屬株式會社和三菱重工在TP304H鋼的基礎(chǔ)上通過添加Cu、Nb和微量N而成功研發(fā)的Super304H奧氏體耐熱鋼，以其具有高的許用應力、良好的組織穩(wěn)定性和抗高溫氧化特性而成為超超臨界鍋爐高溫關(guān)鍵部件的主要材料[1-2].隨著我國大力發(fā)展超超臨界機組，對Super304H耐熱鋼的需求日益增加，而進口Super304H耐熱鋼價格高、供貨周期長，難以滿足工程實際需要.2003年以來，國內(nèi)的特鋼企業(yè)、研究院所與鍋爐制造廠協(xié)作開展Super304H耐熱鋼的國產(chǎn)化研制，2004年隨著國產(chǎn)Super304H鋼錠成功試制，部分國內(nèi)鋼管制造企業(yè)同步成功試制出Super304H鋼管，逐步實現(xiàn)了Super304H鋼管的國產(chǎn)化.

目前，相關(guān)研究表明國產(chǎn)Super304H鋼管的制造質(zhì)量完全滿足ASME SA-213—2010 《鍋爐、過熱器和換熱器用無縫鐵素體和奧氏體合金鋼管子》和GB 5310—2008 《高壓鍋爐用無縫鋼管》的相關(guān)要求[3]，且國內(nèi)個別電廠已開始使用國產(chǎn)Super304H鋼管，但對于國產(chǎn)Super304H鋼管投運后組織性能變化規(guī)律、老化損傷、抗蒸汽氧化性能等方面的研究較少.國內(nèi)某電廠(2×660 MW超超臨界機組)3號鍋爐高溫過熱器和再熱器出口段首批使用了國產(chǎn)Super304H鋼管.筆者對該電廠3號鍋爐高溫過熱器(蒸汽參數(shù)為605 ℃/26.15 MPa)用國產(chǎn)Super304H鋼管割管取樣進行試驗研究，旨在為進一步促進國產(chǎn)Super304H鋼管的推廣應用提供技術(shù)參考，并為國產(chǎn)Supre304H鋼管的運行監(jiān)督提供技術(shù)依據(jù).

1　試驗材料及試驗方法

某電廠3號鍋爐高溫過熱器出口段采用國產(chǎn)Super304H管材，第一次割管取樣時間為12 000 h，第二次割管取樣時間為34 700 h，2次取樣管的表面均無吹損、脹粗、裂紋或過度氧化.為便于分析高溫服役過程中國產(chǎn)Super304H管材的組織及性能變化，對國產(chǎn)Super304H原始鋼管、2次取樣管分別進行室溫拉伸和沖擊試驗、硬度測試、金相組織分析、掃描電鏡及能譜分析.

2　試驗結(jié)果

2.1拉伸試驗

分別在國產(chǎn)Super304H原始鋼管、2次取樣管的母材和焊接接頭位置沿縱向制取拉伸試樣，按照GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 2651—2008 《焊接接頭拉伸試驗方法》進行室溫拉伸試驗，結(jié)果見表1.由表1可知，國產(chǎn)Super304H管材運行12 000 h和34 700 h后，其母材的室溫拉伸性能仍遠高于ASME SA-213的相關(guān)要求；2次取樣管焊接接頭的拉伸試樣均在焊縫處斷裂，表明運行后焊縫強度明顯低于同一運行時間的母材.

表1　室溫拉伸試驗結(jié)果

與國產(chǎn)Super304H原始鋼管相比，隨服役時間的延長，國產(chǎn)Super304H管材的室溫強度提高、塑性不斷下降，焊接接頭的拉伸性能下降.

2.2沖擊試驗

分別在國產(chǎn)Super304H原始鋼管、2次取樣管的母材和焊接接頭位置沿縱向制取沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm×7.5 mm×10 mm，按照GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行室溫沖擊試驗，結(jié)果見表2.由表2可知，國產(chǎn)Super304H管材運行12 000 h和34 700 h后，其母材沖擊吸收能量仍處于較高水平，而同一運行時間的焊接接頭的沖擊吸收能量處于較低水平.

與國產(chǎn)Super304H原始鋼管相比，隨服役時間的延長，國產(chǎn)Super304H管材的沖擊吸收能量逐漸降低，且焊接接頭的沖擊吸收能量降低幅度更大.

2.3硬度測試

依據(jù)GB/T 231.1—2009 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對國產(chǎn)Super304H原始鋼管、2次取樣管的母材分別進行布氏硬度測量，依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對國產(chǎn)Super304H原始鋼管的焊縫、2次取樣管的焊縫不同區(qū)域進行顯微硬度測量，結(jié)果見表3.由表3可知，12 000 h與34 700 h取樣管母材硬度相近，兩者較原始鋼管的硬度升高約15 HBW.由此可見，在高溫服役過程中，由于第二相顆粒的沉淀強化作用，國產(chǎn)Super304H管材的硬度先升高而后趨于穩(wěn)定.12 000 h取樣管焊縫的硬度較原始鋼管焊縫硬度略有降低，而34 700 h取樣管焊縫的硬度較原始鋼管焊縫硬度下降30 HV，可見經(jīng)長時高溫服役后，國產(chǎn)Super304H管材焊縫的硬度和強度均明顯下降.

表2　室溫夏比沖擊試驗結(jié)果

表3　硬度測量結(jié)果

2.4金相組織分析

依據(jù)GB/T 13298—1991 《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 13299—1991 《鋼的顯微組織評定方法》對國產(chǎn)Super304H 2次取樣管的母材和焊接接頭分別進行金相組織檢驗，用FeCl3鹽酸溶液侵蝕，金相照片見圖1～圖3.Super304H為細晶粒鋼，國產(chǎn)Super304H鋼管原始晶粒度為8～9級.

圖1為國產(chǎn)Super304H 2次取樣管母材金相組織.由圖1可知，其金相組織為奧氏體加彌散分布的析出相顆粒，在高溫服役中基體組織穩(wěn)定，晶粒仍非常細小、未發(fā)生明顯長大，經(jīng)高溫服役30 000 h以上后晶粒度仍為8級.圖2和圖3為國產(chǎn)Super304H 2次取樣管焊縫和熔合線附近的金相組織，焊縫組織為粗大的樹枝晶狀的奧氏體基體，其上分布著細小的析出相顆粒，熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒較母材明顯粗大，晶粒度達4級.可見，經(jīng)高溫服役30 000 h以上后，焊縫組織中的析出相數(shù)量增多，熱影響區(qū)粗晶區(qū)的個別晶界出現(xiàn)粗化.

2.5掃描電鏡與能譜分析

采用FEI Quanta400掃描電子顯微鏡和EDAX能譜儀對國產(chǎn)Super304H原始鋼管、2次取樣管的母材和焊縫進行微觀組織觀察和析出相能譜分析，結(jié)果見圖4～圖6.

由圖4可知，國產(chǎn)Super304H原始鋼管基體組織為奧氏體，其上彌散分布的細小顆粒為固溶處理析出的一次Nb(C,N)，基體上少量分布的塊狀析出物為NbC，它是鋼錠冶煉過程形成的難熔碳化物，其存在對國產(chǎn)Super304H鋼管的塑性和韌性產(chǎn)生不利影響[4].

(a) 12 000 h

(b) 34 700 h

Fig.1Metallograph of base metal of domestic Super304H tubes at different service time

(a) 12 000 h

(b) 34 700 h

Fig.2Metallograph of weld seam of domestic Super304H tubes at different service time

(a) 12 000 h

(b) 34 700 h

Fig.3Metallograph of weld-fusion line of domestic Super304H tubes at different service time

(a) 母材

(b) 塊狀析出物能譜圖

由圖5可知，國產(chǎn)Super304H取樣管母材隨服役時間的延長，晶界析出相的數(shù)量明顯增多，且在晶界呈鏈狀分布；晶內(nèi)析出相為細小彌散分布的顆粒，隨時間延長尺寸未見明顯粗化.經(jīng)能譜分析可知，國產(chǎn)Super304H取樣管晶界析出相為M23C6，晶內(nèi)彌散分布的顆粒主要為Nb(C,N).由此可見，國產(chǎn)Super304H管材服役過程中微觀組織老化主要以M23C6沿晶界析出且呈鏈狀分布、晶界粗化為主要特征.

由圖6可知，國產(chǎn)Super304H管材焊縫隨服役時間的延長，晶內(nèi)和晶界析出相的數(shù)量明顯增多，經(jīng)能譜分析可知，焊縫組織晶內(nèi)和枝晶界的析出相均為Nb(C,N).高溫服役30 000 h以上后，國產(chǎn)Super304H管材焊縫枝晶界出現(xiàn)粗化.

3　分析與討論

根據(jù)力學性能試驗結(jié)果可知，與國產(chǎn)Super 304H原始鋼管相比，在高溫服役過程中隨時間延長，國產(chǎn)Super304H管材母材的室溫強度和硬度升高、塑性和沖擊韌性下降；經(jīng)高溫服役后，焊接接頭的強度、硬度和沖擊韌性不斷降低且明顯低于同一服役時間的母材.

根據(jù)微觀組織和能譜分析結(jié)果可知，國產(chǎn)Su-per304H管材在高溫服役過程中基體組織穩(wěn)定，晶粒仍非常細小，未發(fā)生明顯長大；高溫服役后，晶界析出M23C6型碳化物且呈鏈狀分布，而晶內(nèi)第二相顆粒主要為Nb(C,N)且未見明顯長大.服役30 000 h以上后，國產(chǎn)Super304H管材微觀組織開始出現(xiàn)老化，以M23C6沿晶界析出且呈鏈狀分布、晶界粗化為主要特征.國產(chǎn)Super304H焊縫組織為粗大的樹枝晶狀奧氏體加彌散分布的Nb(C,N)顆粒，熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒較母材明顯粗大，晶粒度在4級左右，經(jīng)高溫服役30 000 h以上后，焊縫中Nb(C,N)顆粒的數(shù)量增多，焊縫組織枝晶界出現(xiàn)粗化，粗晶區(qū)的個別晶界亦有粗化.

(a) 12 000 h

(b) 34 700 h

(c) 晶界析出相能譜圖

(d) 晶內(nèi)析出相能譜圖

Fig.5SEM analysis of base metal of domestic Super304H tubes at different service time

(a) 12 000 h

(b) 34 700 h

(c) 晶界析出相能譜圖

Fig.6SEM analysis of weld seam of domestic Super304H tubes at different service time

材料的性能與其成分、工藝和組織密切相關(guān).在高溫服役初期(幾千小時內(nèi))，國產(chǎn)Super304H管材中ε-Cu、二次Nb(C,N)和M23C6析出，在這些細小的第二相顆粒沉淀強化作用下，基體的強度和硬度較原始鋼管升高，而塑性和韌性相應下降[4-6].由于ε-Cu尺寸在50 nm以下、二次Nb(C,N)尺寸在100 nm左右，在金相顯微鏡和掃描電鏡下難以觀察和分辨，所以在金相顯微鏡和掃描電鏡下分析僅能觀察到M23C6型碳化物以及鋼管制造過程形成的一次Nb(C,N)顆粒.在高溫服役中期(穩(wěn)定期)，隨時間的延長，晶界M23C6的數(shù)量逐漸增多且尺寸緩慢增大，使得管材的強度和硬度緩慢降低，開始出現(xiàn)老化特征.在高溫服役的后期(>105h)，由于大量M23C6在晶界析出，晶界發(fā)生明顯弱化，Cr等元素的固溶強化效應急劇下降，管材的強度、硬度顯著降低，且塑性和韌性亦明顯降低，材料由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，進入明顯老化階段.本試驗中某電廠國產(chǎn)Super304H管材取樣時間分別為12 000 h和34 700 h，其強度和硬度較原始鋼管升高，塑性和韌性較原始鋼管稍有下降，符合材料處于高溫服役穩(wěn)定期的性能特點. 通過微觀組織觀察分析，國產(chǎn)Super304H管材運行34 700 h后微觀組織中M23C6開始在晶界析出且呈鏈狀分布，表明開始出現(xiàn)老化跡象.

焊接接頭是管材的薄弱環(huán)節(jié).由于熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒粗大，所以粗晶區(qū)的強度、塑性和韌性均較差.焊縫組織為快速凝固得到的粗大非平衡鑄態(tài)組織，在高溫服役過程中，國產(chǎn)Super304H焊縫中析出相Nb(C,N)顆粒數(shù)量增多且在枝晶界團聚、晶界出現(xiàn)粗化，造成焊接接頭的強度、塑性和韌性較同一服役時間的母材明顯降低.國產(chǎn)Super304H管材焊接接頭服役30 000 h以上后，其強度低于母材，沖擊吸收能量低于25 J，沖擊韌性較差，可見高溫服役30 000 h以上后其焊接接頭的性能已明顯劣化.

4　結(jié)　論

(1) 高溫服役后，國產(chǎn)Super304H管材的室溫強度和硬度升高、塑性和韌性下降，其強度的提高主要與服役過程中析出的第二相顆粒的沉淀強化作用有關(guān).

(2) 國產(chǎn)Super304H管材焊接接頭的強度、硬度和沖擊韌性不斷降低，且明顯低于同一服役時間的母材，這與焊縫組織粗大、第二相顆粒在晶內(nèi)和枝晶界聚集粗化有關(guān).建議加強對國產(chǎn)Super304H焊接接頭的金屬監(jiān)督.

(3) 高溫服役過程中，國產(chǎn)Super304H管材基體組織穩(wěn)定，晶粒未見長大，微觀組織開始出現(xiàn)M23C6沿晶界析出且呈鏈狀分布的老化跡象.

(4) 服役30 000 h以上后，國產(chǎn)Super304H管材尚處于高溫服役穩(wěn)定期，組織狀態(tài)良好，力學性能仍處于較高水平.國產(chǎn)Super304H鋼管在我國超超臨界機組設(shè)計溫度和壓力下運行穩(wěn)定，未見組織和性能異常，可實現(xiàn)安全運行.

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Microstructure and Mechanical Properties of Domestic Super304H Tubes During High-temperature Services

TIANXiao,XUHui,LIUXiangliang,LIYimin,DONGFangqi,XIAOGuohua,YANGBaixun

(Xi'an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi'an 710032, China)

The microstructure and mechanical properties of domestic Supre304H tubes used for 600 °C ultra-supercritical boilers during high-temperature services were investigated by room-temperature tensile test, impact test, hardness test, metallographic inspection, scanning electronic microscopy and energy spectrum analysis. Results show that the strength and hardness of domestic Supre304H tubes increase with the time during high-temperature services, while their plasticity and toughness decrease. The strength, hardness and impact toughness of domestic Super304H welded joints decrease with the time during high-temperature services, which are obviously lower than the properties of base metal at same service time. After more than 30 000 hours of service, the mechanical properties of domestic Super304H tubes are still in high level with stable matrix and uhchanged sizes of grains, but the microstructure indicates aging phenomenon in the form of chain-like precipitation of M23C6along grain boundary. In general, domestic Super304H tubes have good microstructure and mechanical properties, which are able to operate stably under the conditions designed for 600 ℃ ultra-supercritical units. It is suggested to strengthen the supervision on the welded joints of domestic Super304H tubes.

ultra-supercritical boiler; domestic Super304H steel; high-temperature service; mechanical property; microstructure; aging

2015-08-28

田曉(1985-)，女，河南焦作人，工程師，工學碩士，主要從事電站新型耐熱鋼組織與性能試驗研究、電站金屬部件失效分析與性能評估等方面的工作.電話(Tel．)：029-82002542；E-mail: tianxiao@tpri.com.cn.

1674-7607(2016)08-0671-06

TG142

A學科分類號：430.20