超超臨界機(jī)組HR3C再熱器受熱面管組織、性能及持久壽命分析

文章編號(hào)：2096-2983（2025）03-0086-07

關(guān)鍵詞：HR3C鋼；顯微組織；性能；持久壽命中圖分類號(hào)：TG142.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： HR3C，an optimized variant of TP31O austenitic heat-resistant steel， is widely used in supercritical units and ultra-supercritical units because of its good high temperature mechanical properties and high temperature oxidation resistance.The HR3C heating surface tube at the outlet from the final reheater in an ultra-supercritical unit of a power plant with accumulated service of about 60000h （204號(hào) has been taken as the research object. The microstructures and properties as well as creep rupture life were investigated by Brinell hardness tests， tensile tests， metallographic examination， scanning electron microscope and transmission electron microscope observations， and high temperature lasting strength test.The results show that， compared with the as-received state，the amount of precipitated phases in the microstructure of the HR3C heating surface tube after service increases significantly; the Brinell hardnes，the tensile strength and the yield strength all increased，while the plasticity significantly decreases during tensile tests at room temperature，but remains relatively high during tensile tests at high temperatures. Based on the results of the high temperature lasting strength test， the remaining life of the heating surface tube under the service condition of 650^°C is calculated to be greater than 100000h

Keywords： HR3C steel; microstructure; properties; creep rupture life

超超臨界（ultra-supercritical，USC）機(jī)組由于具有能源利用率高、排放污染物少等優(yōu)點(diǎn)，是目前火電機(jī)組主要的發(fā)展方向[1]。USC機(jī)組鍋爐參數(shù)的提升對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了更高的要求。HR3C在TP310基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)減少含C量、增加 Nb 和N 的量，利用彌散析出的CrNbN 相及 M₂₃C₆ 相等實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，從而獲得更好的高溫力學(xué)性能和高溫抗氧化性能[2-5]，被廣泛應(yīng)用于制備超臨界機(jī)組和USC機(jī)組的過熱器和再熱器[6-7]

HR3C受熱面管在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中普遍存在時(shí)效脆化現(xiàn)象，使USC機(jī)組在實(shí)際工況下服役達(dá)到42 000h^[9] 以及 50000h^[10-12] 的 HR3C受熱面管試樣（“受熱面管試樣”以下簡(jiǎn)稱為“管樣”）均有伸長(zhǎng)率降低至遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的情況。HR3C受熱面管性能的下降嚴(yán)重威脅USC機(jī)組的安全運(yùn)行。為評(píng)估HR3C管樣在長(zhǎng)期服役過程中的運(yùn)行狀態(tài)，于某電廠某USC機(jī)組檢修期間取其末級(jí)再熱器出口HR3C管樣為測(cè)試對(duì)象，通過布氏硬度測(cè)試、拉伸測(cè)試、金相觀察、掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）觀察、透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）觀察等對(duì)服役態(tài)與供貨態(tài)HR3C管樣進(jìn)行組織與性能的對(duì)比分析，并通過高溫持久強(qiáng)度測(cè)試對(duì)其持久壽命進(jìn)行評(píng)估。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料取自日本住友生產(chǎn)的累積服役約60000h 的HR3C管樣（其直徑為 57mm ，長(zhǎng)為5mm ，額定工況下蒸汽溫度為 623^°C ，蒸汽壓力為5.65MPa， ，以及同批次、同規(guī)格供貨態(tài)HR3C管樣，其主要化學(xué)成分如表1所示。

對(duì)HR3C管樣的測(cè)試如下：按照GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相組織觀察；通過SEM和TEM觀察微觀組織；按照GB/T231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行布氏硬度測(cè)定；按照GB/T228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB/T228.2—2015《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分：高溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸測(cè)試；按照GB/T2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》進(jìn)行高溫持久強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

2.1.1 金相觀察

供貨態(tài)與服役態(tài)HR3C管樣進(jìn)行金相組織觀察時(shí)，經(jīng)打磨、拋光后使用氯化鐵、鹽酸和水的混合

溶液進(jìn)行浸蝕。其金相組織如圖1所示。由圖1可知：供貨態(tài)HR3C管樣的金相組織為典型的奧氏體組織，存在大量孿晶，奧氏體及孿晶基體上彌散分布著顆粒狀第二相；服役態(tài)HR3C管樣的晶界處及晶內(nèi)析出相數(shù)量顯著增多，同時(shí)出現(xiàn)大小不一的奧氏體晶粒，說明服役過程中發(fā)生了再結(jié)晶，

圖1HR3C管樣金相組織

2.1.2 SEM觀察

HR3C管樣SEM圖見圖2。由圖2可知：供貨態(tài)HR3C管樣中可以觀察到基體上彌散分布的顆粒狀第二相；服役態(tài)HR3C管樣在晶內(nèi)、晶界處均有大量第二相析出，晶內(nèi)析出相呈顆粒狀以及桿狀等不同形態(tài)相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，晶界處析出相則沿晶界呈鏈狀結(jié)構(gòu)。

2.1.3TEM觀察

供貨態(tài)HR3C管樣中的顆粒狀析出相如圖3所示。由圖3可知，供貨態(tài)HR3C管樣的析出相為簡(jiǎn)單四方結(jié)構(gòu)的Z相（NbCrN）。服役態(tài)HR3C管樣晶界處析出相如圖4所示。由圖4可知：服役態(tài)HR3C管樣晶界處析出相沿晶界長(zhǎng)大并連成鏈狀，部分呈角狀向晶內(nèi)生長(zhǎng)；根據(jù)選區(qū)電子衍射圖可以標(biāo)定出該析出相為面心立方結(jié)構(gòu)的 M₂₃C₆ 。服役態(tài)HR3C管樣中的晶內(nèi)析出相如圖5所示。由圖5可知，大量顆粒狀及桿狀等不同形態(tài)的 M₂₃C₆ 相互交錯(cuò)形成網(wǎng)狀，此外，服役過程中析出了尺寸微小的觸須狀 NbCrN_c

2.2 力學(xué)性能

2.2.1布氏硬度測(cè)試

使用布洛維臺(tái)式硬度計(jì)對(duì)HR3C管樣的橫截面進(jìn)行布氏硬度測(cè)定，每組試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取5個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值，結(jié)果見表2。由表2可知，服役態(tài)HR3C管樣的布氏硬度明顯高于供貨態(tài)的。主要原因是，服役過程中HR3C管樣中大量析出相的產(chǎn)生，導(dǎo)致第二相強(qiáng)化作用明顯增強(qiáng)。ASMESA-213/SA-

213M—2019標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，HR3C受熱面管的布氏硬度控制范圍為 ?256 。由以上分析得出，供貨態(tài)和服役態(tài)HR3C管樣的布氏硬度均滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2.2 拉伸測(cè)試

在供貨態(tài)和服役態(tài)HR3C管樣上取平行長(zhǎng)度為 3mm 的3個(gè)圓形橫截面試樣進(jìn)行常溫和高溫拉伸測(cè)試，取3個(gè)測(cè)試結(jié)果的平均值，結(jié)果見表2。由于其拉伸曲線沒有明顯的屈服點(diǎn)，因此其屈服強(qiáng)度

表2力學(xué)性能

選取規(guī)定塑性伸長(zhǎng)率為 0.2% 時(shí)的應(yīng)力。常溫拉伸測(cè)試前由引伸計(jì)控制應(yīng)變速率為 0.000 25s^-1 ，測(cè)試后通過移動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)橫梁來控制應(yīng)變速率為 0.00667s^-1 ;高溫拉伸測(cè)試溫度為 650^°C ，保溫時(shí)間為 20min ，全過程通過移動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)橫梁來控制應(yīng)變速率，發(fā)生屈服前應(yīng)變速率為 0.00007s^-1 ，發(fā)生屈服后應(yīng)變速率為 0.00200s^-1 。

與供貨態(tài)相比，服役態(tài)HR3C管樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高，但伸長(zhǎng)率顯著降低。服役態(tài)HR3C管樣常溫下伸長(zhǎng)率僅 14.4% ，遠(yuǎn)低于ASMESA-213/SA-213M—2019標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，說明其塑性嚴(yán)重下降。ASMESA-213/SA-213M—2019標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)HR3C管樣的高溫力學(xué)性能做出明確要求。服役態(tài)HR3C管樣高溫下伸長(zhǎng)率達(dá)到 25.9% 說明服役態(tài)HR3C管樣在高溫下塑性可保持相對(duì)較高水平。

HR3C拉伸試樣斷口形貌如圖6所示。由圖6可知：供貨態(tài)HR3C管樣常溫拉伸后斷口頸縮明顯，微觀形貌為大量尺寸較為均勻的韌窩，部分韌窩底部存在第二相粒子，為典型的韌性斷裂形貌；服役態(tài)HR3C管樣常溫拉伸后斷口齊平，沒有明顯頸縮及變形，微觀形貌呈冰糖狀，有明顯的沿晶裂紋，為典型沿晶脆性斷裂形貌。供貨態(tài)HR3C管樣高溫拉伸后的斷口形貌與常溫拉伸后的類似，為典型的韌性斷裂；服役態(tài)HR3C管樣高溫拉伸后斷口出現(xiàn)一定的頸縮，微觀形貌呈冰糖狀且有明顯的沿晶裂紋，同時(shí)也存在大量微小韌窩，說明服役態(tài)HR3C管樣高溫下拉伸時(shí)的斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。

2.3 持久壽命評(píng)估

服役態(tài)HR3C管樣在 650°C 下持久強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

按照測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行等溫外推，并根據(jù)WhiteClarke理論模型，得出雙對(duì)數(shù)外推公式為：

σ=At-B

式中： t 為斷裂時(shí)間; σ 為施加應(yīng)力; A，B 為材料常數(shù)。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)得：

lgσ=a-blgt

式中： a，b 為常數(shù)。

式（2）表明 logσ 與 lgt 呈線性關(guān)系。將式（2）擬合可得在 650^°C 下 σ 與 t 的關(guān)系式為：

由式（3）得出服役態(tài)HR3C管樣在 650^°C 下服役 100000h 后持久強(qiáng)度為 115.6MPa ，這一數(shù)值高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T5310—2017給出的 HR3C（07Cr25Ni? 21NbN）推薦的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù) （103.0MPa， 。

參照DL/T5366—2014，并根據(jù)蒸汽壓力、管道規(guī)格、服役態(tài)許用應(yīng)力等，得計(jì)算管道最小壁厚的公式為：

S_m=P?/2（[σ]η+YP）+α

式中： S_m 為最小壁厚; P 為蒸汽壓力； ? 為管樣外徑;[σ] 為許用應(yīng)力； η 為許用應(yīng)力的修正系數(shù)； Y 為 P 的修正系數(shù)； α 為腐蝕余量。取 P 為設(shè)計(jì)壓力， 6.6MPa ? 為 57.0mm ： [σ] 由 650^°C 下服役 100000h 后的持久強(qiáng)度（ 115.6MPa， 除以安全系數(shù)1.5得到，為77.1MPa ；無縫管樣的 η 取1.0;根據(jù)DL/T5366—2014可知，當(dāng)奧氏體鋼溫度 時(shí) Y 取0.7;α 取 0.5mm 。將以上各參數(shù)代入式（4）計(jì)算可得，在650°C 下服役 100000h 所需的 S_m 為 2.9mm 。實(shí)測(cè) S_m 為 4.7mm ，大于計(jì)算值，故滿足實(shí)際生產(chǎn)對(duì)S_m 的要求。

根據(jù)計(jì)算所得的持久強(qiáng)度和 S_m 條件，可判斷服役態(tài)HR3C管樣在 650^°C 下的剩余壽命超過1000000h_o

3 分析與討論

HR3C管樣中的第二相對(duì)其性能有重要影響[13]。供貨態(tài) HR3C 管樣經(jīng)過固溶處理后為過飽和固溶體，在高溫服役過程中會(huì)形成 M₂₃C₆.NbCrN 等析出相[14-15]。本研究中，供貨態(tài) HR3C 管樣的組織為孿晶奧氏體，晶內(nèi)第二相為顆粒狀NbCrN晶界處無明顯的第二相；在高溫下服役 60000h 后，晶界處及晶內(nèi)析出大量第二相，晶界處析出相主要為 M₂₃C₆ ，晶內(nèi)析出相為 M₂₃C₆ 和NbCrN。

有研究[16-20] 顯示， M₂₃C₆ 易在晶界處、孿晶界處等位置析出，隨著管樣服役時(shí)間的延長(zhǎng)，析出相會(huì)形成鏈條狀；在晶內(nèi)則以細(xì)小顆粒狀析出，隨著管樣服役時(shí)間的延長(zhǎng)而形成顆粒狀、桿狀或其他形狀的析出相。NbCrN呈觸須狀，尺寸細(xì)小且比較穩(wěn)定，在高溫服役條件下未見明顯長(zhǎng)大。晶界處 M₂₃C₆ 析出相會(huì)成為應(yīng)力集中處和裂紋源，同時(shí)，大量 M₂₃C₆ 的析出會(huì)在晶界附近造成金屬元素（主要為 Cr 的貧化帶，使晶界強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致HR3C管樣在高溫服役后容易沿晶界發(fā)生脆性斷裂，使塑韌性大幅降低。晶內(nèi)析出大量 M₂₃C₆ 和NbCrN能夠有效釘扎位錯(cuò)，產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化和推遲再結(jié)晶的發(fā)生，從而有效提高HR3C管樣的力學(xué)性能和蠕變性能。晶內(nèi)析出相在高溫下也具有較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此，HR3C管樣在長(zhǎng)期高溫服役過程中具有較穩(wěn)定的性能。

本文測(cè)試結(jié)果顯示，HR3C管樣在高溫服役狀態(tài)下仍具有相對(duì)較好的塑韌性及足夠長(zhǎng)的剩余壽命，但在常溫即冷態(tài)時(shí)其塑韌性嚴(yán)重下降，因此冷態(tài)是需關(guān)注的重點(diǎn)。在停爐檢修過程中，HR3C部件處于冷態(tài)，此時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)磕碰、撞擊、敲打等所有可能導(dǎo)致表面產(chǎn)生凹坑、磕傷等缺陷的情況，減少可能出現(xiàn)脆性斷裂的裂紋源，應(yīng)特別注意焊縫、彎頭和受拘束部位等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置

4結(jié)論

（1）供貨態(tài)HR3C管樣的顯微組織為孿晶奧氏體，第二相主要為晶內(nèi)顆粒狀NbCrN；在高溫下服役 60000h 后，其晶界處及晶內(nèi)析出大量第二相，晶界處析出相主要為 M₂₃C₆ ，晶內(nèi)析出相為 M₂₃C₆ 和NbCrN。

（2）和供貨態(tài)比，服役態(tài)HR3C管樣的布氏硬度和強(qiáng)度均提高、塑性降低，表現(xiàn)出時(shí)效脆化傾向；高溫拉伸時(shí)其塑性明顯優(yōu)于常溫拉伸的；服役過程中產(chǎn)生的析出相導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化。

（3）根據(jù)持久強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)推測(cè)，服役 60000h 后HR3C管樣在 650^°C 服役條件下的剩余壽命超過 100000h 在后續(xù)使用過程中需重點(diǎn)關(guān)注冷態(tài)，停爐檢修時(shí)應(yīng)避免所有可能導(dǎo)致表面產(chǎn)生缺陷的情況出現(xiàn)，減少可能出現(xiàn)的裂紋源，特別注意容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置

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（編輯：何代華）