HR3C鋼長期高溫運行后的組織性能研究

李艷軍，牛保獻

(河南恩湃高科集團有限公司，鄭州　450052)

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HR3C鋼長期高溫運行后的組織性能研究

李艷軍，牛保獻

(河南恩湃高科集團有限公司，鄭州450052)

摘要：對長期高溫運行后的HR3C鋼管材進行了機械性能和金相組織檢驗，并與備用新管進行比較，通過試驗可知HR3C鋼管材的強度與備用新管差別不大，但脆性明顯增加，斷后延伸率及沖擊韌性大幅降低，大量碳化物在晶界呈片狀分布，降低了晶界強度，使材料容易沿晶界脆斷。

關鍵詞：HR3C鋼；奧氏體；耐熱鋼；超超臨界

表1　管樣機械性能

0引言

HR3C鋼是日本住友電氣工業株式會社在TP310H奧氏體不銹鋼中添加N和Nb元素而開發出來的25Cr20Ni型奧氏體不銹鋼，被命名為HR3C。在600～750 ℃條件下，HR3C鋼的蠕變斷裂強度明顯高于TP347H，TP310系列耐熱鋼，同時其高溫抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能明顯優于18Cr-8Ni型耐熱鋼，目前已被廣泛應用于超超臨界鍋爐高溫過熱器、高溫再熱器(以下簡稱高再)[1-4]。對HR3C鋼長時間高溫運行后的組織性能進行研究，對鍋爐壽命評估具有重要意義。

河南某電廠#1機組為600 MW超超臨界機組，于2012年11月1日投產運行，啟、停10余次，截至2015年3月5日，#1機組高再爐管已累計運行約810 d。試驗取樣的高再爐管材質為HR3C，規格為? 57 mm×4 mm，運行溫度在620～630℃。

1性能試驗

試驗選取原始備用新管1根，運行中爐管4根。運行爐管取樣位置為高再從南向北第43～46排最外圈，對所取管樣進行以下試驗分析。

1.1機械性能檢測

備用新管和第43～46排管材室溫力學性能檢測結果見表1。備用新管抗拉強度和硬度符合相關要求，拉斷試樣有明顯頸縮，斷后延伸率在40%以上。第43～46排管材試樣的抗拉強度和硬度符合相關標準要求，但延伸率則遠低于相關標準要求(ASME Code Case 2115-1要求抗拉強度大于655 MPa，斷后延伸率大于30%，硬度小于256 HB)。

受管樣規格限制，無法加工標準沖擊試樣，所加工的沖擊試樣尺寸為5 mm×3 mm×55 mm，缺口為1 mm的V型缺口，所得數據僅用于比較沖擊韌性的降低幅度。

拉伸試樣斷口形態如圖1所示，備用新管延伸性能良好，而第43～46排管樣斷口周邊幾乎沒有塑性形變現象，無明顯頸縮，斷口平齊，斷面呈亮灰色，顯示出明顯的脆性特征。通過表1數據可知，運行管樣斷后延伸率和沖擊韌性均降低了80%以上。

1.2金相檢驗

試驗采用FeCl3鹽酸水溶液作為浸蝕劑，HR3C備用新管的金相組織如圖2所示，是組織形態良好的奧氏體組織；而第43～46排運行管材耐浸蝕性能較差，需將標準FeCl3鹽酸水溶液稀釋為原來的20%后浸蝕做金相檢驗，說明運行爐管抗腐蝕性能降低。在金相顯微鏡下觀察到第43～46排HR3C管材晶界較寬，有大量析出物呈片狀連續分布。由于第43～46排管材組織相同，以第44排管樣組織為例，如圖3、圖4所示。

圖1　備用新管及第43～46排管樣拉伸斷口形態

圖2　HR3C鋼備用新管金相組織

圖3　第44排管最外圈金相組織(500×)

圖4　第44排管最外圈金相組織(1 000×)

圖5為管材拋光態下的形貌，拋光態下組織晶界清晰可見，說明晶界析出了連續的第2相，并且與晶粒內性能差異較大。圖6為第1爆口附近管段試樣斷裂形態，可以看出，試樣在拉伸斷裂時是沿晶脆斷，說明晶界是運行管的薄弱部分。

圖5　第44排管樣拋光態形貌(500×)

2試驗結果與分析

該電廠所提供的高再備用新管組織及各項機械性能均正常，而運行中爐管的拉伸斷口無明顯頸縮，斷口平齊，斷面呈亮灰色，顯示出明顯的脆性特征，并且其斷后延伸率僅為10%左右，材料的強度雖無明顯降低，但韌性和塑性極差。從金相檢驗結果來看，運行爐管組織晶界較寬且有大量薄片狀析出物連續分布，拉伸斷裂屬于沿晶斷裂，長期運行后的HR3C管材在受到撞擊時很容易引起沿晶脆斷。

HR3C管材在600～750 ℃范圍內時效常見析出物為NbCrN，MX，M23C6及δ脆性相，其中M23C6會沿晶界析出和生長，起初在晶界上呈鏈狀分布，經過較長時間時效后，晶界上M23C6明顯增多，并呈連續片狀分布，這在很大程度上削弱了晶界強度[4-6]。本次試驗中運行爐管晶界有大量連續薄片狀析出物，其特征符合有關文獻中論述的M23C6析出物特征[7-8]，故認為試驗發現的晶界片狀析出物為M23C6，大量碳化物的析出消耗了晶界附近較多合金元素,在晶界附近可能造成合金元素的貧化帶，使晶界強度大大降低，因此拉伸試驗時的斷裂方式呈沿晶脆斷。另外，M23C6是硬脆相，與基體塑性變形不一致，在應力作用下將阻礙基體的塑性變形，從而在晶界基體金屬和M23C6粒子之間引發裂紋，容易沿晶界發生脆性斷裂。

圖6　第44管樣拉伸斷口形態(200×)

3結論

(1)HR3C爐管長時間運行后強度變化不大，但脆性明顯增加，延伸率及沖擊韌性遠低于相關標準要求。

(2)在620～630 ℃運行810 d后，HR3C管子組織晶界變寬且有大量薄片狀M23C6析出物連續分布，并使晶界強度降低。

參考文獻：

[1]唐利萍.超超臨界鍋爐用鋼的發展[J].應用能源技術，2007(10):20-21.

[2]于鴻垚，董建新，謝錫善.新型奧氏體耐熱鋼HR3C的研究進展[J].世界鋼鐵，2010，10(2)：42-49,61.

[3]李太江，劉福廣，范長信，等.超超臨界鍋爐用新型奧氏體耐熱鋼HR3C的高溫時效脆化研究[J].熱加工工藝，2010，39(14)：43-46.

[4]方圓圓，趙杰，李曉娜.HR3C鋼高溫時效過程中的析出相[J].金屬學報，2010，46(7)：844-849.

[5]劉俊建，陳國宏，王家慶，等.時效熱處理對HR3C鋼組織結構及力學性能的影響[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2011(1)：47-51.

[6]李太江，劉福廣，陳偉武，等.HR3C鋼焊接接頭高溫時效后的顯微組織和力學性能[J].金屬熱處理，2012(8)：16-20.

[7]張忠文，李新梅，杜寶帥，等.650 ℃時效條件下HR3C鋼焊縫金屬組織與韌性[J].材料熱處理學報，2011(4)：104-109.

[8]鄭子杰.HR3C鋼管時效沖擊韌性大幅降低的原因分析[J].鍋爐技術，2011,42(4)：46-48.

(本文責編：弋洋)

收稿日期：2016-04-07；修回日期：2016-05-18

中圖分類號：TG 115.21

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0043-03

作者簡介：

李艷軍(1983—)，男，河南濮陽人，助理工程師，工學碩士，從事電力系統金屬技術監督、失效分析、理化檢測方面的工作(E-mail:liyanjun1202@163.com)。