P92钢时效过程中冲击性能和硬度变化的试验

张红军, 周荣灿, 于在松

(西安热工研究院有限公司,西安710032)

目前,我国在役和在建的超超临界火力发电机组的主蒸汽管道均采用P92钢.在P91钢的基础上,P92钢是通过添加W、降低Mo含量,并加入B等微合金化元素而形成的新型马氏体耐热钢.对P92钢的蠕变、持久性能与焊接性能进行了广泛研究,蠕变后的微观组织分析也有大量的文献报道[1-7],但大多限于实验室蠕变试验,难于获取冲击试验试样.冲击性能是耐热钢一个重要的力学性能,相关标准对P92钢的冲击吸收能量作了规定,但关于P92钢时效后冲击性能变化的报道甚少.在国内,曾进行了 T92钢在650℃、700℃、725℃和750℃时效过程中的组织和硬度分析[8-9],但P92钢和T92钢的光学金相组织形貌存在一定差异.因此,有必要对P92钢进行长期时效试验,研究其冲击吸收能量和硬度在时效过程中的变化,为超超临界机组高温高压部件用钢(P92钢)的安全运行和状态评估提供参考.

1 试验材料与方法

试验试样取自进口的P92钢管,热处理状态为正火+回火,其化学成分列于表1.对试样在650℃进行了不同时间段的时效试验,获得了 500 h、1 000 h、3 000 h和10 000 h的时效试样.

表1 试验用P92钢的化学成分Tab.1 Chemical compositions of the P 92 steel tested%

在时效前后的试样上取标准夏比V型缺口冲击试验试样,试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm,采用RKP 450示波冲击试验机进行室温冲击吸收能量的测定,并采用HB 3000-C型电子布氏硬度计对时效前后的材料进行硬度试验.

2 结果与讨论

2.1 冲击试验

图1为P92钢650℃时效后冲击吸收能量的变化.由图1可知:与原始样比较,随着时效时间的增加,冲击吸收能量单调下降,时效导致P92钢脆化.在时效初期,脆化速度较快;当时效为500 h时,冲击吸收能量降低约50%;当时效为1 000 h时,冲击吸收能量降低约60%;在时效为1 000 h后,冲击吸收能量降低速度变缓并趋于稳定;当时效在10 000 h后,冲击吸收能量下降到 37 J,下降约70%.

回火参数是综合考虑回火温度和时间的一个参数,其计算公式为:

式中:P为回火参数;T为回火温度,K;t为回火时间,h.

借鉴回火参数的计算公式,依据时效试验温度和时间,获取时效不同阶段的回火参数(P),建立了冲击吸收能量(KV8)和回火参数(P)的变化关系(见图1),两者基本呈线性关系,表达式为:

随着回火参数的增加,冲击吸收能量线性下降利用回火参数的计算公式,可将高温短时间下的时效状态换算为低温长时间的时效状态.在650℃时效为500 h、1 000 h、3 000 h和10 000 h的状态可换算为600℃时效 9 977 h、20 763 h、66 335 h和236 902 h.结合各时效状态的冲击吸收能量,根据计算结果可知:600℃时效约为10 000 h,P92钢的冲击吸收能量将会降低50%,但当时效时间长达236 902 h时,冲击吸收能量约为 37 J.可见,虽然P92钢的冲击性能在时效过程中发生了一定程度的脆化,但仍在目前我国超超临界机组实际设计温度和寿命内,且其韧性较好.

图1 P92钢在650℃时效试验中冲击吸收能量的变化Fig.1 Evolution of impact absorbed energy of the P92 steel after againg tests at 650℃

文献[10]介绍了P92钢在650℃不同时效时间下的冲击性能,随着时效时间的增加,韧脆转变温度逐渐提高,在650℃下时效1 000 h、3 000 h和10 000 h,试样的韧脆转变温度分别约为20℃、30℃和40℃,原始态的韧脆转变温度约为-28℃.

文献[11]介绍了P92钢焊缝金属在625℃下时效不同时间的冲击性能,时效为1 000 h,冲击吸收能量由焊后热处理状态的70 J左右降低到20 J左右,时效3 000 h后的冲击吸收能量仅约为12 J,且时效试样组织中出现大量Laves相.对于焊缝金属,利用回火参数的计算方程,可将625℃下时效1 000 h和3 000 h的状态换算为600℃下时效4 556 h和14 107 h.依据此计算结果可知:P92钢焊缝金属在600℃运行约5 000 h时将可能发生很大程度的脆化.

P92钢在600℃以上的时效导致了冲击吸收能量的显著下降和韧脆转变温度的显著升高,尤其是焊缝金属,时效脆化程度很大.目前,国内超超临界火力发电机组的主蒸汽温度在600～610℃,材质为P92钢的主蒸汽管道和联箱等使用的时间还不长.根据本研究结果,主蒸汽管道或联箱采用P92钢母材在运行过程中可导致冲击吸收能量的显著下降,但P92钢在供货状态下的冲击吸收能量较高,强韧性也好,在600℃下运行二十多万小时后,冲击吸收能量估计仍有37 J.与母材不同,P92钢焊缝金属由于晶粒粗大,且焊后热处理状态下的冲击吸收能量比母材低,在运行过程中,600℃、5 000 h状态下的冲击吸收能量可降低至20 J左右,脆化程度很大.因此,P92钢在运行过程中的热时效脆化问题应引起足够重视,特别是焊缝金属.

2.2 硬度试验

图2为P92钢在650℃时效硬度的变化.从图2可知:P92钢在650℃时效硬度的变化与冲击吸收能量的试验结果相似,随着时效时间的增加,硬度逐渐降低.硬度降低的速度随时效时间的增加而逐渐减慢.650℃、10 000 h时效后的硬度约由供货状态的225 HB下降到215 HB,整个时效时期内硬度下降的幅度不明显.

在时效期内,P92钢的组织发生回复,W和Mo等固溶强化元素脱溶形成新相或扩散到已存在的第二相颗粒中,如形成Laves相,同时位错密度下降,马氏体板条发生多边化等.组织的变化引起各强化方式对强度的贡献量不断变化:固溶强化、位错强化作用降低,沉淀强化作用增加反映在硬度上,固溶强化、位错强化导致强度降低的程度略大于沉淀强化带来的强度增加.但是,文献[9]在对T92钢在700～750℃的时效研究后发现:该钢硬度降低幅度较大,且随着时效温度的提高,降低的程度增大;在同一温度下,随着时效时间的增加,硬度降低的速度逐渐减慢.造成这种时效试验后硬度降低幅度不同的主要原因是:时效温度不同导致在组织上的变化存在差异,在650℃时效后Laves相的析出程度大于在700～750℃的时效.

当运行温度在600℃时,材质为P92钢的主蒸汽管道在服役过程中,理论上硬度会发生变化,可反映出组织的老化.但根据本试验结果,正常组织的P92钢管在使用过程中,硬度值的变化不大;并且,在硬度测试过程中,产生的随机误差较大.因此,采用硬度指标对P92钢的材质状态进行评估还需进行大量的试验研究.

从650℃时效过程中冲击吸收能量和硬度值的变化程度来看,冲击吸收能量的变化更能明显反映P92钢时效时组织的变化.

图2 P92钢在650℃时效试验中硬度的变化Fig.2 Evolution of hardness of the P92 steel after tests at 650℃

3 结 论

(1)P92钢有一定的热时效脆性,时效初期脆化速度快,随后放慢,650℃时效500 h试样的冲击吸收能量约降低50%,但随着时效时间的增加,冲击吸收能量逐渐趋于稳定.

(2)建立了P92钢时效时冲击吸收能量和回火参数之间的线性函数关系.

(3)P92钢母材600℃时运行10 000 h,冲击吸收能量降低50%,估计运行二十多万h仍具有较高的韧性,但焊缝金属在5 000 h时冲击吸收能量即发生大幅度下降,且脆化程度很大.

(4)P92钢的硬度随时效时间的增加逐渐降低,并趋于稳定,但降低幅度较小.

(5)P92钢的使用时间不长,时效或运行状态下组织性能会发生较大变化,特别是焊缝金属,在实际运行中仍应加强对该金属的监督.

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