HR3C钢运行前后组织性能分析.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶工程 M I N D i GA N DM 哐T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №5 O c t o b e r2 0 1 2 HR 3 C 钢运行前后组织性能分析④ 胡加瑞1 ，陈金仪2 ，陈红冬1 ，杨湘伟1 ，牟申周1 1 ．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙4 1 0 0 0 7 ；2 ．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州7 3 0 0 7 0 摘要通过s E M 、E D s 、冲击韧性试验机、万能拉伸机等实验手段对国内电厂运行1 59 6 0h 的过热器H R 3 c 钢管与供货态样品的 微观组织进行观察分析，对其抗拉强度、硬度、冲击韧性等相关性能进行研究。结果表明，供货态H R 3 c 晶内分布大量的N b c r N 第 二相颗粒，运行1 59 6 0h 后晶界上析出颗粒状M ，c 。与链状M ，c 。，同时H R 3 c 的综合力学性能大幅下降，脆性增加，M ，c 。颗粒的 析出是其冲击韧性下降的主要原因。 关键词H R 3 C ；超超临界；显微组织；性能 中图分类号T G l 4 2 ．1 1文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 一0 1 1 0 0 3 S t u d y0 nM i c r o s t r u c t u r ea n dM e c h a I I i c a lP r o p e r t i e so fH I b C b e f I o r ea n da f t e rO p e r a t i o n H UJ i a ．r u i l ，C H E NJ i n ．y i 2 ，C H E NH o n g ．d o n 9 1 ，Y A N GX i a n g w e i l ，M O US h e n ．z h o u l 1 ．肌凡肌E k f r 如P o 埘e rC o 伊o m t i o 凡月黜e o 砌风f 拓u 眠吼。呼施4 1 0 0 0 7 ，肌凡。凡，吼i n n ；2 ．k 几p e c 死c ．I 己n o 垤泐 残砒以，如玩旋D 找7 3 0 0 7 0 ，1 5 口r 弱H ，C 危i n 8 A b s t r a c t T h em i c r o s t m c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e n i e ss u c ha st e n s i l es t r e n g t h ，h a r d n e s sa n di m p a c td u c t i l i t yo ft h e o v e r h e a t e rH R 3Cs t e e lt u b ea 往e r159 6 0 ．h o u ro p e r a t i o na n dt h ea s r e c e i v e ds a m p l ew e r ea n a l y z e da n di n v e s t i g a t e db y m e a n so fS E M ，E D S ，i m p a c tt o u g h n e s st e s t i n ga n du n i v e r s a lt e n s i l et e s t i n g ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tal o to fs e c o n d p h a s ep a r t i c l e so fN b C r Nw e r ed i s t r i b u t e di nt h eg m i n so ft h ea s r e c e i v e dH R 3 C ．G r a n u l a ra n dc h a i n l i k eM 2 3C 6 c a r b i d e so c c u I _ r e da l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e sa f t e r1 59 6 0 一h o u ro p e r a t i o n ． M e a n w h i l e ， t h em e c h a n i c a lp I D p e r t i e so f H l 硌Cd e c r e a s e dt oag r e a te X t e n t ，a n dt h ea g i n ge m b r i t t l e m e n ti n c r e a s e d ．T h em a i nr e a s o nf o rt h ei m p a c tt o u g h n e s s d e g r a d a t i o ni st h eo c c u I T e n c eo fM 2 3C 6 ． K e yw o r d s H R 3 C ；u l t r a - s u p e r c r i t i c a l ；m i c r o s t m c t u r e ；p m p e n y 随着超超临界锅炉的发展，过热器和再热器的服 役环境也更为恶劣，对其原材料提出了更高要求⋯。 H R 3 C T P 3 l O H c b N 由口本s u M I T O M O 研制开发，是 一种比常规不锈钢材料具有更高高温强度和耐蚀性能 的新型不锈钢，主要成分为2 5 C r 一2 0 N i - N b N 。它是在 T P 3 l o 基础上，通过复合添加N b 、N 合金元素研制出 的一种新型耐热耐蚀钢，利用钢中析出微细的C r N b N 化合物和M ，c 。来对钢进行强化，具有较高的热强 性心一J 。目前我国已建或在建的超超临界锅炉都采用 了H R 3 C ∞一川，但由于我国目前的超超临界锅炉大多 运行时间较短，因此对H R 3 C 的认识还不够深刻。本 文对某电厂6 0 0M W 机组运行了1 59 6 0h 的过热器用 H R 3 C 钢的组织性能进行了分析，并与供货态H R 3 C 进行对比，可为H R 3 C 钢管在电站中的安全运行管理 及金属监督提供参考。 1 实验材料及方法 本实验用H R 3 c 管分别为国内某电厂6 0 0M w 超 超临界机组供货态样品以及运行了1 59 6 0h 的过热器 割管样品，规格为①5 7m m 1 2 ．7m m ，过热器出口介 质温度为6 0 5 ℃，压力为2 6 ．1 5M P a 。 在德国产蔡司大型金相显微镜下观察金相组织， 采用的腐蚀剂为F e c l ，溶液。在材料电子万能试验机 C S S 一4 4 1 0 0 上进行室温拉伸实验，测定其抗拉强度、伸 长率，拉伸速度为2m n ∥m i n 。采用V 型缺口标准试 样，使用1 0k g 摆锤在J B N 一3 0 0 冲击试验机上进行室 温冲击试验，测定其冲击韧性值。在s i r i o n2 0 0 场发射 扫描电镜上对显微组织与冲击断口进行观察与分析， 并采用E D s 分析第二相颗粒的成分。在H B E 一3 0 0 0 A 布氏硬度计上测定材料的布氏硬度。 ①收稿日期2 0 1 2 0 4 - 2 2 作者简介胡加瑞 1 9 8 4 一 ，男，河南新乡人，助理工程师，硕士，主要从事电力系统金属部件失效分析。 万方数据 第5 期 胡加瑞等H R 3 C 钢运行前后组织性能分析 2 结果分析与讨论 2 ．1 显微组织分析 图l a 为供货态H R 3 C 的显微组织，为典型的等 轴奥氏体组织，晶粒较为粗大，晶界处无明显的析出 物；晶内的第二相颗粒以等轴或棒状存在，粒度约为2 m ，分布较均匀，对其进行E D s 分析，结果如表l 所 示。由表l 可见，析出相中C r 、N b 含量较高，并且存在 大量的N 元素，这说明合金中的第二相粒子是N b c r N 相；该相细小且分布均匀，使得材料具有良好的室温强 度以及优异的高温蠕变断裂强度[ 8 】。图l b 为运行 1 59 6 0h 后过热器管的显微组织，与供货态相比，晶内 的析出物增多，第二相颗粒开始长大，同时晶界已发生 粗化，晶界上及晶内都析出了第二相，结合E D s 分析， 如表l 所示，主要成分为C r 、F e 元素，析出相为M ，C 。 相一o 。部分M 幻C 。沿着晶界析出和生长，在晶界上形 成链状分布。 图1不同状态的H R 3 C 钢的显微组织 a 供货态； b 运行1 59 6 0h 表1 H R 3 C 化合物能谱分析结果 质量分数 ／％ 位置 N bc rF eN iN 点1 3 0 ．4 43 7 ．2 71 1 ．6 84 ．“1 5 ．9 8 点2 3 5 ．2 25 1 ．“1 3 ．1 4 2 ．2 力学性能分析 H R 3 c 供货态以及运行态的室温力学性能如表2 所示。供货态的H R 3 c 抗拉强度为7 3 4M P a ，运行态 的抗拉强度为7 7 5M P a ，经过1 59 6 0h 运行后，H R 3 C 的抗拉强度有了一定的上升。但是其屈服强度与延伸 率都有了大幅度的下降，屈服强度下降约3 0 ％，延伸 率下降约6 5 ％，都已低于s A ．2 1 3 ／s A - 2 1 3 M 标准要 求⋯。H R 3 c 的布氏硬度值如图2 所示，运行1 59 6 0 h 后布氏硬度值呈上升趋势。 表2H R 3 C 的室温力学性能 ＼ 魁 髫 图2H R 3 C 不同状态下的硬度 由显微组织分析可知，H R 3 C 钢在运行时效过程 中最主要的结构变化是M ，C 。颗粒相的析出，其对力 学性能产生的影响也最为显著。一方面，这些富C r 相 在晶界处析出，将导致临近晶界的基体出现贫C r 区， 固溶强化的效应降低，使晶界成为薄弱区，另一方面， 有M ，C 。颗粒相的存在，起到弥散强化和晶界强化的作 用，同时在拉伸过程中对变形产生抑制作用，在第二相 颗粒附近形成位错的缠绕，从而提高抗拉强度和硬度。 H R 3 C 的冲击韧性值如图3 所示，供货态的冲击 韧性值较高，达到1 4 8J ／c m 2 ，运行后的冲击韧性值大 幅度降低，为1 8 ．1J ／c m 2 ，下降幅度约9 0 ％。 1 6 0 1 4 0 1 2 0 之l O O 嘉踟 是∞ 4 0 2 0 0 l 对冲击断口宏观形貌进行分析，供货态试样的断 口显示出明显的塑性断裂特征，断面起伏较大，呈灰 色。运行态试样的冲击断口平齐，呈现出亮灰色，呈明 显的脆性断裂特征。图4 为H R 3 C 微观冲击断口形 貌，可以看出，供货态的冲击断口韧窝密集，分布均匀， 其断裂类型属于韧窝一微孑L 聚集型，在一些韧窝中可以 看到夹杂物或第二相粒子。H R 3 c 运行1 59 6 0h 后的 冲击试样的断口形貌呈典型的冰糖状，晶界面光滑、清 洁，界面棱角十分清晰，并且可以发现一些二次裂纹的 存在。这是因为运行1 59 6 0h 后，晶界处有大量的颗 粒状M ∞C 。以及链状M ，C 。析出，消耗了晶界附近的 万方数据 1 1 2 矿冶工程第3 2 卷 大量合金元素，晶界附近的固溶强化效果大大降低从 而使晶界强度大大降低；同时M ，c 。相硬度高于基体， 在受到冲击时，因其与基体不能达到很好的匹配，合金 在受到冲击时，晶界成为合金的薄弱环节，在基体和 M ，C 。粒子之间首先引发裂纹，成为裂纹源；同时晶界 已粗化，加之强度降低，裂纹将沿着晶界扩展，造成沿 晶断裂。 图4H R 3 C 钢冲击断口的S E M 形貌 a 供货态； b 运行1 59 6 0h 3 结论 1 供货态H R 3 C 晶内分布大量的N b C r N 第二相 颗粒，运行1 59 6 0h 后H R 3 C 晶界上析出颗粒状M ，C 。 与链状M ，C 。，晶界发生粗化。 2 运行1 59 6 0h 后H R 3 C 的综合力学性能大幅 下降，脆性增加，断裂方式为沿晶脆性断裂，沿晶界析 出的M ，C 。相是其冲击韧性下降的主要原因。 参考文献 [ 1 ] 周听，张玉福，焦庆峰，等．火力发电厂受热面失效分析与防护 [ M ] ．北京中国电力出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ] 杨富。章应霖，任永宁，等．新型耐热钢焊接[ M ] ．北京中国电 力出版社。2 0 0 6 ． [ 3 ] 杨华春，谢逍原，张林，等．超临界锅炉用硼l o H c b N 奥氏体 不锈耐热钢管化学成分优化探讨分析[ J ] ．东方锅炉，2 0 0 9 2 4 2 4 8 ． [ 4 ] K o m a iN ，I g m s h iM ，M i n 啪iY ，e ta 1 ．F i e l dt e s tr e s u l t so fn e w l yd e v e l 叩e d 洲s 【e n j t i cs t e e l s i nt h ee d d y s t o n eU n i tN o ．1b o i l e r [ C ] ∥ E i g h t I lI r I t e m a t i o n a lC o n f e r e n c e 佣c r e e pa n dF a t i g u ea te l e v a 【e d T e m p e m t u №．U S A S ∞A n t ∞i o ，2 0 0 7 ．‘ [ 5 ] 王培伟，靳学伟．百万千万机组H R 3 c 的焊接技术应用[ J ] ．电力 建设。2 0 0 9 ，3 0 8 1 1 0 一1 1 2 ． [ 6 ]文石．华能玉环电厂1 0 0 0 M w 超超临界机组建设的探讨与实 践[ J ] ．电力建设，2 0 0 5 ，2 6 6 l 一5 ． [ 7 ] 李太江，刘福广，范长信，等．超超临界锅炉用新型奥氏体耐热 钢H R 3 C 的高温时效脆化研究[ J ] ．材料热处理技术，2 0 1 0 ，3 9 1 4 4 3 4 6 ． [ 8 ] P a r kI ，M a s u y ⅢaF ，E n d 0T ．E H j c t0 fS 0 l u b l en i t m g e no nt h ec r e e p s t r e n g t ho fa n 叫s t e n i t i e2 5 c r - 2 0 N is t e e l [ J ] ．K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 0 ，1 7 1 一1 7 4 4 4 5 4 5 2 ． [ 9 ] L s e d aA ，O k a d aH ，s e m b aH ，e ta 1 ．L D “gt e 册c r e e pp m p e r t i e sa n d m i c m s t r u c t u r eo fs u p e r 3 0 4 H ．T P 3 4 7 H F Ga n dH R 3 Cf o rA U S Cb o i l - e r s [ J ] ．E n e r g yM a t e a l s ，2 0 0 7 2 1 9 9 2 0 6 ． [ 1 0 ] s A - 2 1 3 ／s A - 2 1 3 M ，锅炉、过热器和换热器用无缝铁素体和奥氏 体合金钢管子[ s ] ． 上接第1 0 9 页 [ 8 ] B a n e l sM ，L i nwG ．N i j e n h u i sJ ，e ta 1 ．A g g I o m e r a I i o ni nn u i d i z e d b e d sa l h i g } - t e m p e m t u r e s M e c h 柚i s m s ，d e t e c t i o na n dp r e v e n l i o n [ J ] ． P r o g r e ∞i nE n e r 盯∞dC o m b u s t i o nS c i e n c e ，2 0 0 8 ．3 4 5 6 3 3 6 6 6 ． [ 9 ]赵志龙，唐惠庆，郭占成，等．c 0 气氛下还原F e 2 0 3 过程中铁晶 须生长的原位观察[ J ] ．中国稀土学报，2 0 1 0 ，2 8 增刊 3 5 4 3 5 8 ． [ 1 0 ] c - l l o tB ，B e n l o u c i fRM ．R o u s 8 e tA ．As t u d yo fi n f I a 肥da b s o r p t i o n j nt h eo x i d a t i o no fz i n c - 8 u b s t i t u t e dm 嚼I e 6 t ∞t od e f e c tp h a 靶．ya n d [ 1 2 ] [ 1 3 ] h e m a t i t e [ J ] ．J o u m a Io f s o l i ds t a t ec h e m i s t r y 。1 9 8 l ，3 9 3 2 9 3 3 6 ． s c h e n c kH ，P f 胡‘W ．T h es y s t e mF e 0 M g OM dd i s t 曲u t i o ne q u i l i b 一aw i l hl i q u i di f o nf I D m1 5 2 0 ℃t o1 7 5 0 ℃[ J ] ．A r c h i vf u e rd 踮 E i s e n h u e t t e n w e s e n ，1 9 6 1 ．3 2 1 1 7 4 l 一7 5 1 ． F u k u y a m aH ，H o s s a i nK ，N 8 9 a t aK ．S o l i d s t a t er e a c t i o n k i n e t i c so f 【h es y s t e mc a 0 F e 0 [ J ] ．M e 瑚l u r g i c { l la n dM a t e r 瑚s T r a | l s a c t i 呻sB ， 2 0 0 2 ，3 3 2 2 5 7 2 “． S h 锄n o nB yRD ．R e v i s e dE 雎c t i v eI o n i cR a d i ia n dS y s t e m a t i cS t u d - 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