高温受热面奥氏体耐热钢服役后材质损伤分析..docVIP

高温受热面奥氏体耐热钢服役后材质损伤分析 　　在燃煤电厂中，高温承压部件中服役条件最为恶劣的是炉内受热面管，其中过热器、再热器的运行环境尤为苛刻。高温高压、蒸汽氧化、烟气腐蚀的综合作用下使得受热面管要求材料除具有高的蠕变强度外，还要求具 ... 在燃煤电厂中，高温承压部件中服役条件最为恶劣的是炉内受热面管，其中过热器、再热器的运行环境尤为苛刻。高温高压、蒸汽氧化、烟气腐蚀的综合作用下使得受热面管要求材料除具有高的蠕变强度外，还要求具有优良的抗蒸汽氧化性能和抗烟气腐蚀性能。而奥氏体耐热钢在这些方面具有优良的综合性能。从抗氧化角度而言，铁素体类耐热钢使用上限为最高蒸汽温度593℃（金属温度620℃），高于此温度只能选择奥氏体钢。 　　1 奥氏体耐热钢的发展 　　在国内随着锅炉机组参数的提高，奥氏体耐热钢已经大量应用于过热器/再热器管等高温承压部件。在600MW超临界/亚临界以下机组中大量应用的TP304H、TP347H和TP321H均是在18Cr-8Ni基础上，控制碳含量，添加微量元素Ti、Nb并进行稳定化处理。一方面提高蠕变强度，更主要的是提高长期运行后的组织稳定性。 　　随着机组参数的进一步提高，目前在超超临界机组中奥氏体耐热钢又取得了显著发展。通过细晶化处理，TP347HFG钢NbC固溶更加充分，细小弥散分布的MX型碳化物的强化效果，使得材料具有良好抗高温蠕变性能，比TP347H粗晶钢的许用应力高20%以上。晶粒细化有利于Cr穿过晶界向表面扩散形成致密的Cr2O3保护层，从而使抗蒸汽侧氧化能力大幅提高。 　　Super 304H在TP304H基础上增加了C的含量，降低了Si、Mn的含量，同时添加了Cu、Nb、N，并进行细晶化处理，利用富Cu的ε相和NbCrN氮化物以及Nb（C、N）、M23C6进行复合强化，提高了蠕变断裂强塑性。600～650 ℃许用应力比TP304H高30%，比TP347H高约20％以上，列为18Cr-8Ni型奥氏体不锈钢之首。650℃抗氧化性能大大优于TP304H、TP347H，略差于细晶TP347H；耐蚀性优于TP304H，略逊于TP347H。 　　为进一步提高抗蒸汽氧化和热腐蚀性能，则需要选用25％Cr系列的HR3C，其高Cr、Ni含量和Nb、N的添加，使其在苛刻烟气、蒸汽环境下的耐蚀性能、抗氧化性能大大优于SUPER304H。 　　而细晶NF709钢，通过微合金化调整，一方面使其具备了目前最高的蠕变断裂强度和高温长时的组织稳定性，另外其热膨胀系数比TP347H低约10％～20％，而在高温高压下耐蒸汽腐蚀性能和烟气热腐蚀性能同25％Cr相当，其低C（0.02）-22.5Cr系列钢，更是通过低碳化、防止贫铬区的生成而不发生敏化现象。 　　无疑新材料的发展，大大提高了奥氏体钢的蠕变断裂强度和组织稳定性，提高了抗蒸汽氧化和烟气侧的热腐蚀抗力。但对于大量在役的TP304H、TP347H和TP321H钢而言，对其长期应用中的老化规律和失效机理进行研究，是金属监督工作的重点，也是机组安全运行的重要技术保障。 　　2 试验分析 　　试验材料取自某电厂过热器管。试样选取四种组态：原始管、运行4万多小时割管、运行7万多小时割管，失效管。对不同材质进行化学成分、室温高温拉伸性能、晶间腐蚀倾向性检验、微观组织观察得知：长期运行后的拉伸强度尤其是屈服强度明显下降，爆管段已有明显降低，Rm已降至前苏联ГОСТ 5632-72标准（室温Rm≥539MPa）的下限附近；相应的硬度也表现了同样的变化规律。 　　显微组织的变化来看：原始管为奥氏体＋大量孪晶；运行割管奥氏体＋晶界细小碳化物＋少量孪晶，晶界出现链状析出碳化物，晶界逐渐粗化；爆管附近奥氏体＋晶界碳化物，碳化物出现长大的趋势，析出物为M23C6，并呈现链珠状特征。 　　晶间腐蚀倾向性检验试样弯曲后经10×放大镜观察，原始管不存在晶间腐蚀倾向，试样外表面无裂纹产生。经4、7万的试样运行后的不锈钢管弯曲后，宏观观察后均存在2/3试样壁厚的微裂纹，经金相检验皆为晶间开裂。 　　3奥氏体耐热钢服役问题的讨论 　　3.1奥氏体耐热钢服役损伤 　　失效管宏观下管径有明显涨粗，管壁有减薄；相邻段外表面具有众多与轴向平行的沿晶微裂纹，断口观察及金相检验表明裂纹深度在几个晶粒范围内，断裂由外壁向内壁扩展；硬度、室温、高温拉伸强度同原始管相比有明显的降低趋势，室温拉伸强度已降至前苏联标准下限，高温下屈强比显著升高。皆有助于说明由于管壁金属长期处于超温状态运行而导致的蠕变断裂。 高过爆管由于管材处于不锈钢敏化区间范围运行，TP321H钢在此温度范围，表现为组织性质不够稳定，在晶界析出了Cr的碳化物，致使这种在原始状态不易产生晶间腐蚀现象的Cr-Ni-Ti奥氏体不锈钢在高温运行过程中发生敏化现象，在