王苗苗, 朱畢焱

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院,上海 200240)

上世紀(jì)八九十年代,日本在ASTM S213 TP 304H鋼管的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種新型的18-8型奧氏體不銹鋼.該鋼種不僅具有較好的高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性能,而且不含昂貴的M o、V等貴金屬元素,制造成本比ASTM S213 TP 304H 鋼管更低.此鋼種開發(fā)后在日本電站鍋爐過熱器和再熱器部件上的應(yīng)用時(shí)間已超過10年,顯示出其良好的綜合性能.目前,該鋼已被列入ASTM A 213M 標(biāo)準(zhǔn),代號(hào)為S30432.國(guó)內(nèi)則在最近幾年才開始將S30432鋼管應(yīng)用在超(超)臨界鍋爐過熱器和再熱器上[1-3].

國(guó)內(nèi)某電站鍋爐高溫過熱器管選用S30432管材,但該過熱器管僅運(yùn)行約1 590 h就發(fā)生了爆管.本文對(duì)此高溫過熱器爆管及持久試驗(yàn)管材進(jìn)行了組織及析出物的對(duì)比分析,以探尋材料在服役過程中組織與析出物的變化及其對(duì)性能的影響.

1 試驗(yàn)材料

選取2種S30432鋼管,其中1號(hào)鋼管為進(jìn)口材料,取自國(guó)內(nèi)某電站鍋爐過熱器爆管試樣,該過熱器的設(shè)計(jì)蒸汽溫度為605℃,正常工作狀態(tài)下其管壁溫度約為650℃,滿負(fù)荷條件下過熱器出口壓力為26.15 MPa,管壁實(shí)際承受應(yīng)力為63.63 MPa,管子運(yùn)行時(shí)間約為1 590 h,經(jīng)上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院分析,該管子屬于過熱器超溫蠕變爆管.2號(hào)鋼管為國(guó)產(chǎn)材料,取自高溫持久斷裂試驗(yàn)管材,試驗(yàn)溫度為 650℃,試驗(yàn)應(yīng)力為 200 MPa,斷裂時(shí)間為2004.2 h.表1給出了上述2種試驗(yàn)材料的化學(xué)成分.從表 1可知:2種鋼材的成分均符合 ASME Code Case 2328-1要求.

表1 2種試驗(yàn)鋼材的化學(xué)成分Tab.1 chemical composition of two test samples %

2 組織與析出相的變化

2.1 金相組織分析

圖1為2種鋼材的金相組織.由圖1可知:2種鋼材的金相組織均為奧氏體,晶粒度等級(jí)分別為:1號(hào)鋼材7.5級(jí);2號(hào)鋼材9級(jí).2種鋼材的金相組織中均有非常粗大的析出物,不同的是1號(hào)鋼材中的析出現(xiàn)象較嚴(yán)重,已經(jīng)形成蠕變裂紋,晶界結(jié)合程度也較差,而2號(hào)鋼材雖然晶粒較細(xì)小,但其晶粒上也分布有一些粗大的顆粒,部分呈條帶狀分布,對(duì)材料的使用性能會(huì)產(chǎn)生不利的影響.

圖1 2種鋼材試樣的金相組織Fig.1 Microstructure of two test samples

2.2 析出相分析

材料在高溫服役過程中會(huì)析出細(xì)小彌散的顆粒,并且隨著時(shí)間的延續(xù)逐漸長(zhǎng)大.圖2為1號(hào)鋼材試樣的顯微組織.從圖2可看出:在1號(hào)鋼材試樣的顯微組織中,不僅析出相數(shù)量較多,而且尺寸較大,尤其在晶界處析出相顆粒長(zhǎng)大非常明顯.這種現(xiàn)象在鋼管爆口處最為嚴(yán)重,在部分析出相顆粒的邊緣已經(jīng)形成蠕變裂紋.圖3為1號(hào)鋼材試樣中的析出相.從圖3可觀察到析出相主要有4類:①一次析出相NbC(N),它在固溶過程中未能完全固溶到基體中,如圖3(a)中較大的黑色顆粒,這些一次析出相尺寸較大,個(gè)別顆粒的尺寸可達(dá)3μm左右;②數(shù)量相當(dāng)多的Cr23 C6相,如圖3(b)中的灰色大顆粒,主要在晶界上析出,長(zhǎng)度可達(dá)4μm左右;③在晶內(nèi)析出的NbC(N)顆粒,這種顆粒不同于一次析出相,其尺寸較小,平均尺寸約為數(shù)十nm,如圖3(a)中細(xì)小的黑色顆粒;④在晶內(nèi)彌散析出的細(xì)小富Cu相顆粒,如圖3(a)中白色細(xì)小的顆粒,平均尺寸不足10 nm,其對(duì)位錯(cuò)釘扎的能力較強(qiáng),強(qiáng)化作用較好.

圖2 1號(hào)鋼材試樣的顯微組織Fig.2 Microstructure of test sample No.1

圖3 1號(hào)鋼材試樣中的析出相Fig.3 Precipitates in test sample No.1

從圖2和圖3可看出:富Cu相顆粒尺寸穩(wěn)定性較好,在析出后長(zhǎng)大不明顯,而其他析出相顆粒則大小不一,尤以Cr23 C6相和一次析出相NbC(N)最為嚴(yán)重.由于一次析出相NbC(N)非常粗大,不僅沒有達(dá)到強(qiáng)化效果,而且還為Cr23 C6顆粒的析出提供了界面.

圖4和圖5為2號(hào)鋼材試樣的顯微組織與析出相形貌.從圖中可觀察到與1號(hào)鋼材試樣相似的現(xiàn)象:一次析出相NbC(N)非常粗大(圖5(a)中較大的棒狀顆粒)、Cr23C6相大多在晶界上析出呈鏈狀分布(圖5(b)中鏈狀顆粒)、富Cu的強(qiáng)化相在晶內(nèi)彌散析出(圖5(c)中細(xì)小的白色顆粒)、較小的析出相NbC(N)顆粒長(zhǎng)大較慢(圖5(c)中稍大的灰色顆粒).

圖4 2號(hào)鋼材試樣的顯微組織Fig.4 Microstructure of test sample No.2

圖5 2號(hào)鋼材試樣的析出相Fig.5 Precipitates in test sample No.2

3 分析與討論

S30432鋼管在ASME SA-213 TP 304H鋼的基礎(chǔ)上,降低Mn含量上限,加入約3%Cu、0.45%Nb和微量N,這些合金元素在固溶時(shí)完全溶解,時(shí)效過程中不斷在晶內(nèi)析出細(xì)小、彌散的富 Cu相顆粒、NbC(N)、NbCrN和Cr23C6,從而獲得良好的強(qiáng)化效果,提高了材料的持久強(qiáng)度、持久塑性、韌性及抗腐蝕性能,使其能在更高的許用應(yīng)力下使用[4-6].

通過對(duì)國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的2種鋼管分析發(fā)現(xiàn):2種鋼材中均存在較為粗大的一次析出相NbC(N),這說明S30432鋼管在制管過程中的高溫軟化溫度不足,一次析出相NbC(N)未能完全溶解.由于一次析出相NbC(N)的溶解溫度一般均高于1 200℃,如不能在高溫軟化過程中溶解,則在后續(xù)的工藝過程中將無法消除,進(jìn)而形成成品鋼管組織中粗大的一次析出相顆粒.這種粗大的一次析出相NbC(N)不僅沒有起到強(qiáng)化基體的作用,反而減少了基體中的固溶強(qiáng)化元素,因此影響S30432鋼的沉淀析出強(qiáng)化效果,而且還為Cr23 C6相的析出提供了界面,容易形成蠕變孔洞,對(duì)材料的使用性能影響較大.因此,筆者建議在生產(chǎn)制造S30432鋼管過程中改進(jìn)工藝,盡量避免或減少上述情況的出現(xiàn).

另外,從圖4和圖5還發(fā)現(xiàn):S30432鋼中存在較多尺寸較大的Cr23C6相,并呈鏈狀分布在晶界上,這在很大程度上削弱了晶界強(qiáng)度,為蠕變孔洞的萌生提供了條件.隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng),在應(yīng)力作用下蠕變孔洞逐漸形成蠕變裂紋,產(chǎn)生了大量的沿晶(微)裂紋,嚴(yán)重影響到鋼材的使用壽命;細(xì)小的NbC(N)顆粒長(zhǎng)大緩慢,起到了一定的強(qiáng)化作用;而富Cu相顆粒細(xì)小彌散,尺寸變化不明顯,其釘扎和強(qiáng)化作用最好.

4 結(jié) 論

在本文研究與分析的鋼管中,存在較為粗大的一次析出相NbC(N)顆粒,導(dǎo)致鋼管使用性能降低.如果材料的這種缺陷普遍存在,則可能會(huì)影響到S30432鋼管的長(zhǎng)期、安全和穩(wěn)定運(yùn)行.

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