P92鋼長期高溫服役后組織性能試驗分析

史志剛，熊 偉，張紅軍，賈建民，馬 紅，張寶柱，孟永樂

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P92鋼長期高溫服役后組織性能試驗分析

史志剛1，熊 偉2，張紅軍1，賈建民1，馬 紅1，張寶柱1，孟永樂1

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604）

采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗及微觀組織分析等方法，分析了服役8.5萬h的P92鋼力學(xué)性能和微觀組織，并與原始管分析結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：P92鋼經(jīng)8.5萬h高溫服役后，除高溫抗拉強度外，其他力學(xué)性能指標均滿足標準對新管的要求；與原始管相比，服役管的性能已有明顯劣化，室溫規(guī)定塑性延伸強度下降了9.2%，室溫抗拉強度下降了3.0%，室溫斷后伸長率下降了7.7%，室溫縱向和橫向沖擊吸收能量分別下降了73%和65%，硬度下降了2.5%；與原始管在610 ℃相比，服役管在600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度下降了6.1%；P92鋼服役管的微觀組織也有明顯老化，雖然其金相組織中的馬氏體組織形態(tài)仍明顯，但亞結(jié)構(gòu)中有局部馬氏體板條發(fā)生回復(fù)，出現(xiàn)亞晶粒并等軸化，第二相在晶界和板條界析出較多，Laves相粗化明顯。

P92鋼；高溫服役；微觀組織；力學(xué)性能；高溫拉伸試驗；沖擊試驗；硬度試驗

P92鋼自2006年開始作為超超臨界機組中的高溫蒸汽管道和集箱用鋼，在我國已有十余年的使用歷程，首批投運機組中已服役近10萬h[1-2]。P92鋼的蠕變性能、時效性能及其微觀組織分析已得到廣泛研究[3-10]，但對于P92鋼長期高溫服役后的組織性能變化研究則報道較少，僅有短時間服役條件下P92鋼組織性能變化的研究[11-13]。因此，研究P92鋼在長期高溫服役過程中材料的老化、劣化及損傷程度及其規(guī)律，對保證P92鋼部件的長期安全運行具有重要意義。

本文對國內(nèi)首批使用、服役時間達8.5萬h的P92鋼蒸汽管道取樣進行力學(xué)性能和微觀組織試驗，并與原始管樣的組織性能進行對比分析[14-15]，為P92鋼部件長期高溫服役的金屬監(jiān)督檢驗提供技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

試驗材料取自國內(nèi)首批投運、服役8.5萬h的超超臨界1 000 MW機組的主蒸汽管道支管，規(guī)格為ID248 mm×53 mm，蒸汽設(shè)計溫度和壓力分別為610 ℃和27.56 MPa。

化學(xué)成分分析包括主要元素、殘余元素和五害元素；樣品分縱向外層、縱向內(nèi)層、橫向外層和橫向內(nèi)層各制取2個拉伸試樣，分別在室溫和600 ℃下在CMT5205型拉伸試驗機進行拉伸試驗；在樣品分縱向外層、縱向內(nèi)層、橫向外層和橫向內(nèi)層各制取3個帶V型缺口的沖擊試樣，在室溫下JBC-300型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，將每組3個試驗值取平均；在HVS-50型維氏硬度機進行維氏硬度試驗，加載載荷為30 kgf，保持時間15 s；在OLYMPUS GX71型光學(xué)顯微鏡、Quanta 400 HV型掃描電鏡（SEM）和JEM 2010型透射電鏡（TEM）進行微觀形貌觀察，采用SEM上的能譜儀（EDS）進行第二相成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分分析

與現(xiàn)行ASME SA335版本相比，服役P92鋼管采購時未對鈦和鋯含量要求，鋁含量的要求范圍較寬。服役P92鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，由表1可見：服役管的各元素含量符合現(xiàn)行版本要求，殘余元素含量符合標準GB 5310的要求（≤0.20%），五害元素含量處于較低水平。

表1 服役P92鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果

Tab.1 Chemical composition analysis results for the in-service P92 steel pipe w/%

2.2 拉伸性能分析

P92鋼服役管室溫和600 ℃高溫拉伸試驗結(jié)果及與原始管的室溫和610 ℃拉伸試驗結(jié)果對比如 圖1所示。由圖1可見：服役管的室溫規(guī)定塑性延伸強度P0.2、抗拉強度m和斷后伸長率符合ASME SA335對P92新管的要求，即P0.2≥440 MPa，m≥620，≥20%；600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度符合ASME code case 2179-8對P92新管的要求（P0.2≥251 MPa），但其600 ℃的抗拉強度（310 MPa）已明顯低于ASME code case 2179-8對P92新管的要求（m≥376 MPa）；服役管的縱向和橫向性能未見明顯差異。與原始管室溫性能相比，服役管的室溫規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和斷后伸長率均有所降低，分別下降了9.2%、3.0%和7.7%；服役管在600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度和斷后伸長率也均低于原始管在610 ℃時。

2.3 沖擊性能分析

P92鋼的服役管與原始管的室溫沖擊吸收能量試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可見：服役管的室溫縱向沖擊吸收能量已低于ASME SA335對P92新管的要求（≥40 J），其室溫橫向沖擊吸收能量雖符合ASME SA335的要求（≥27 J），但已接近要求下限值。與原始管相比，服役管的沖擊吸收能量大幅下降，其縱向數(shù)值和橫向數(shù)值降幅分別為73%和65%。

圖2 P92鋼的服役管與原始管的室溫沖擊吸收能量試驗結(jié)果

2.4 硬度分析

P92鋼的服役管與原始管的布氏硬度試驗結(jié)果對比如圖3所示。由圖3可見：服役管近外壁、中部和近內(nèi)壁的布氏硬度值符合ASME SA335對P92新管的要求，近內(nèi)壁和中部的硬度值略低于近外壁。服役管中部和近內(nèi)壁的硬度值略低于原始管，降幅為2.5%。

圖3 P92鋼的服役管與原始管的布氏硬度試驗結(jié)果對比

2.5 光學(xué)金相組織分析

P92鋼的服役管與原始管的光學(xué)金相組織和內(nèi)壁氧化層的光學(xué)金相組織如圖4所示。

圖4 P92鋼的服役管與原始管的光學(xué)金相組織和內(nèi)壁氧化層形貌

Fig.4 The optical metallographic structure and morphology of inner oxide layer of the P92 steel pipes

由圖4可見：服役管金相組織中的馬氏體組織形態(tài)仍明顯，一些第二相在晶界板條界析出，未見蠕變孔洞，內(nèi)壁氧化層厚度為0.50 mm。與原始管相比，晶界和晶內(nèi)的第二相數(shù)量有所增多。

2.6 掃描電鏡形貌分析

掃描電鏡二次電子像（SEI）對樣品表面形貌信息敏感，析出的第二相均顯示較高亮度；而背散射電子（BEI）對樣品平均原子序數(shù)敏感，因此根據(jù)Laves相和M23C6的平均原子序數(shù)不同，將其可在BEI下區(qū)分，其中Laves相呈高亮度。P92鋼的服役管的掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5可見：服役管在晶界析出較多顆粒較大的第二相，最大直徑達1 μm，晶內(nèi)也有少量尺寸較小的第二相析出；根據(jù)EDS能譜分析結(jié)果（圖6），可判斷高亮度的相為Laves相，與高亮度一體的低亮度的相為M23C6，由BEI像可見顆粒大的第二相由高亮度的Laves相和低亮度的M23C6共同組成。

2.7 透射電鏡形貌分析

P92鋼服役管的透射電鏡形貌如圖7所示。由圖7可見：服役管的亞結(jié)構(gòu)仍以板條馬氏體形態(tài)為主，局部馬氏體板條發(fā)生回復(fù)，出現(xiàn)亞晶粒并等軸化，晶內(nèi)的位錯密度較低；較多第二相在晶界和板條界析出，晶內(nèi)有少量第二相析出。

由電子衍射花樣分析（圖8和圖9）可見，晶界粗化的第二相為M23C6，晶界和亞晶界中的部分第二相為Lavse相，晶內(nèi)細小第二相為MX。

圖7 P92鋼服役管的透射電鏡形貌

Fig.7 The transmission electron microscope morphology of the in-service P92 s

圖8 P92鋼服役管的M23C6的電子衍射花樣

Fig.8 The bright-field image, dark-field image and electron diffraction patterns of M23C6of the in-service P92 steel pipe

圖9 P92鋼服役管的laves相的電子衍射花樣

Fig.9 The laves phase bright field image, dark field image and electron diffraction patterns of the in-service P92 steel pipe

3 分析和討論

P92鋼在高溫服役過程中，隨著時間的延長，會發(fā)生一系列的組織老化：馬氏體分解，位錯密度下降，亞晶的形成與長大，第二相、氮化物、Laves相和Z相的析出、長大與偏聚。這些組織結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致硬度、規(guī)定塑性延伸強度和抗拉強度下降，沖擊吸收能量、斷后伸長率和斷面收縮率下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度上升等[15-16]。

P92鋼的服役管采購時無鈦和鋯的要求，鋁的要求范圍較寬，這易消耗氮影響強化相MX的析出，進而影響長期高溫蠕變性能，故現(xiàn)行版本增加了對鈦和鋯的上限含量要求并降低了鋁的上限值。服役管的化學(xué)成分分析結(jié)果符合現(xiàn)行版本的要求，殘余元素銅和五害元素的含量未見異常，這表明服役管不存在元素影響高溫蠕變性能的情況。

服役8.5萬h后，P92鋼管室溫下的拉伸性能、沖擊吸收能量和硬度、600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度等力學(xué)性能符合標準對新管的要求，僅600 ℃的抗拉強度明顯低于標準對新管的要求。關(guān)于P92鋼的高溫抗拉強度，雖然ASME code case 2179-8有規(guī)定，但大量實驗結(jié)果表明，高溫抗拉強度指標很難達到，故2017版本的GB 5310中也取消了對P92鋼的高溫抗拉強度的規(guī)定，改為高溫塑性延伸強度。

與未服役的P92鋼原始管相比，服役管的各個力學(xué)性能均有下降現(xiàn)象，表明經(jīng)8.5萬h服役后，力學(xué)性能有一定的劣化。服役管的室溫規(guī)定塑性延伸強度下降了9.2%，室溫抗拉強度下降了3.0%，室溫斷后伸長率下降了7.7%，室溫縱向和橫向沖擊吸收能量分別下降了73%和65%，硬度下降了2.5%，與610 ℃相比，P92鋼服役管600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度下降了6.1%。雖然沖擊吸收能量下降幅度較大，但是由于其存在與服役時間的非單調(diào)關(guān)系，故無法作為主要評價指標；硬度的降幅最小，文獻[16]介紹硬度存在蠕變初期快速下降、隨后降幅趨緩的現(xiàn)象，故硬度雖方便測試但不能作為唯一指標。

P92鋼服役管的微觀組織也有明顯老化，雖然其金相組織中的馬氏體組織形態(tài)仍明顯，但亞結(jié)構(gòu)中的局部馬氏體板條發(fā)生回復(fù)，出現(xiàn)亞晶粒并等軸化，晶內(nèi)的位錯密度較低；較多第二相在晶界和板條界析出，第二相存在由M23C6向Laves相轉(zhuǎn)變情況，其中Laves相粗化明顯，最大直徑達1 μm。

4 結(jié) 論

1）P92鋼經(jīng)8.5萬h高溫服役后，除高溫抗拉強度外的其他力學(xué)性能指標均滿足標準對新管的要求。

2）與原始管相比，P92鋼服役管的性能已有明顯劣化，室溫規(guī)定塑性延伸強度下降了9.2%，室溫抗拉強度下降了3.0%，室溫斷后伸長率下降了7.7%，室溫縱向和橫向沖擊吸收能量分別下降了73%和65%，硬度下降了2.5%，與610 ℃相比其600 ℃的規(guī)定塑性延伸強度下降了6.1%。

3）P92鋼服役管的微觀組織也有明顯老化，雖然其金相組織中的馬氏體組織形態(tài)仍明顯，但亞結(jié)構(gòu)中有局部馬氏體板條發(fā)生回復(fù)、出現(xiàn)亞晶粒并等軸化、較多第二相在晶界和板條界析出、Laves相粗化明顯等特征。

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Experimental analysis on microstructure and properties of P92 steel after long-term service at high temperatures

SHI Zhigang1, XIONG Wei2, ZHANG Hongjun1, JIA Jianmin1, MA Hong1, ZHANG Baozhu1, MENG Yongle1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Yuhuan Power Plant, Huaneng Power Int’1 Inc., Yuhuan 317604, China)

The mechanical properties and microstructure of P92 steel after 85 000 hours' service were analyzed by several test methods such as chemical composition analysis, mechanical property test and microstructure analysis, and the results were compared with that of the original tube. The results show that, after 85 000 hours' service at high temperatures, all the P92 steel’s mechanical properties except high temperature tensile strength met the requirements of the standard for new pipes. Compared with the original pipe, the performance of the service pipe had been deteriorated obviously. The plastic elongation at room temperature decreased by 9.2%, the tensile strength at room temperature decreased by 3.0%, the elongation at room temperature after fracture decreased by 7.7%, the longitudinal and transverse impact absorption energy at room temperature decreased by 73% and 65%, the hardness decreased by 2.5%, and the plastic elongation decreased by 6.1% at 600 ℃ compared with that of the original pipe at 610 ℃. Moreover, the microstructure of the service tube had obvious aging. Although the martensite morphology in the metallographic structure was still obvious, the local martensite lath in the substructure had the characteristics of recovery, sub-grain and equiaxed, the second phase precipitated greatly at grain boundary and lath boundary, and Laves phase coarsened obviously.

P92 steel, high temperature service, microstructure, mechanical property, high-temperature tension test, impulse test, hardness test

TG142.24；TG115.21

A

10.19666/j.rlfd.201812231

史志剛, 熊偉, 張紅軍, 等. P92鋼長期高溫服役后組織性能試驗分析[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(6): 121-127. SHI Zhigang, XIONG Wei, ZHANG Hongjun, et al. Experimental analysis on microstructure and properties of P92 steel after long-term service at high temperatures[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 121-127.

2018-12-19

史志剛(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電站材料組織性能，shizhigang@tpri.com.cn。

（責任編輯 杜亞勤）