服役10500h后超临界锅炉高温再热器用T92钢管的显微组织

窦 洪，王志武，宋 涛

（1.广东电网公司电力科学研究院，广州510600；2.武汉大学动力与机械学院，武汉430072）

0 引 言

随着火力发电厂锅炉蒸汽参数向超超临界的发展，对锅炉用各种管材性能的要求越来越高。T92钢由于具有优良的高温持久性能、抗蠕变性能、抗氧化性能和导热性以及良好的韧性、焊接性和加工性能而成为超超临界锅炉用钢的候选材料［1-5］。在我国，T92 钢主要用于电站锅炉高温过热器、再热器管。随着运行时间的延长，材料的组织会发生转变，进而影响到其使用性能［6-7］。王双宝等［8］对T92钢在649 ℃下长期时效过程中的组织变化进行研究，发现随着时效时间的延长，材料的基体组织稳定，但是M23C6碳化物发生了粗化，MX 型碳氮化物在晶界析出、长大，并且有长大速度快的Laves相出现。由于T92 钢在我国应用还较少，而且其价格昂贵［9］，现阶段还少有人对其在超临界或超超临界条件下服役后的组织进行过系统的研究。为此，作者对电站服役了10 500h后超临界锅炉高温再热器用T92钢管的显微组织进行了分析，探究了其在高温服役过程中组织的变化规律，以期为T92钢管的寿命评估提供相关参考依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为火电站超临界锅炉高温再热器用T92钢管，其尺寸为φ42mm×6mm，成分如表1所示，运行温度600 ℃，压力25 MPa，运行时间10 500h，其热处理工艺为1 060 ℃正火＋770 ℃回火，原始组织为回火马氏体。

表1 T92钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of T92steel（mass） %

在原始管和服役后管道的向火侧、背火侧、中性面上线切割取6mm×5mm×5mm 的试样，镶嵌后用Olympus型光学显微镜、QYANTA 400型扫描电子显微镜（SEM）和其附带的能谱仪（EDS）进行组织分析和成分分析。腐蚀液分别选取FeCl3、盐酸、酒精溶液，分析基体时选取5个较大的晶粒，每个晶粒选3个点，分析析出相时选取5个较大的析出相颗粒，对所获得的结果统计分析得平均值。在服役后管道的向火侧、背火侧、中性面取φ5mm×50mm 的圆柱形试样进行电化学电解萃取获得析出相粉末，对萃取的粉体进行XRD 分析。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

从图1，2可以看出，试验钢原始组织具有明显的板条马氏体特征，析出的碳化物沿晶界、板条界分布；服役10 500h之后，板条组织马氏体碎化成小晶粒，析出相仍旧以沿晶界分布为主，晶粒内也有析出相析出。服役后向火侧、背火侧和中性面处试样组织的平均晶粒尺寸均增大，析出相的数量、尺寸没有太大差异，但由于它们的工作温度存在差异，导致向火侧处析出相出现团聚现象。

图1 原始试样及服役10 500h后不同位置试样的显微组织Fig.1 Microstrcture of original sample （a）and different parts of samples after after working for 10 500h：（b）in fire face side；（c）in neutral side and （d）in fire back side

图2 原始试样及服役10 500h后不同位置试样的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of original sample （a）and samples of different parts after worling for 10 500h；（b）in fire face side；（c）in neutral side and （d）in fire bacj side

2.2 微区化学成分

从表2可知，与原始试样相比，服役之后的试样中铬、钼、钨、钒、铌这几种元素都有从基体向析出相转移的特征；而向火侧析出相中合金元素的含量普遍高于中性面和背火侧析出相的，其中钨的含量相差最大，向火侧比背火侧高20%，背火侧的铬含量高于向火侧的。

2.3 析出相构成

从图3可知，向火侧、中性面、背火侧的析出相中有Cr23C6、（V，Nb）N 和Laves相。其中Laves相主要是Fe2W 型和（Fe，Cr）2Mo型，其衍射峰较弱，说明析出相中Laves相数量较少。向火侧、中性面、背火侧析出相粉体的XRD 谱很相似，说明析出相类型在这三个位置是稳定的。

表2 原始试样及服役10 500h后不同位置试样基体及析出相的EDS分析结果（原子分数）Tab.2 EDS results of matrix and precipitates of original sample and different parts of samples after working for 10 500h（atom） %

图3 服役管向火侧、中性面和背火侧试样萃取粉体的XRD 谱Fig.3 XRD patterns of extractive powders from fire face side（a），fire back side（b）and neutral side（c）of samples after working

2.4 分析与讨论

T92钢是在T91 钢的基础上通过调整成分而发展起来的新钢种，采用了多元的复合强化手段，其析出相主要有（Fe，Cr，Mo）23C6的M23C6型碳化物，（V，Nb）（C，N）的 MX 型 碳 氮 化 物，以 及（Fe，Cr）2（Mo，W）的Laves相和Cr（V，Nb）N 的Z相。一般来说，热处理之后的原始管中析出相主要是M23C6型碳化物（M 以铬为主）和MX 型碳氮化物，并且两者都沿板条界分布，M23C6型碳化物能够有效抑制板条马氏体的回复，提高蠕变寿命［3］，而尺寸细小的MX 型碳氮化物使材料得到弥散强化［10］。从微观组织可知，服役10 500h之后，T92钢老化已经较为严重，原始组织的马氏体特征消失，这说明其在运行过程中长期处于超温环境中，从EDS分析可知，服役10 500h后铬、钼大量向析出相转移，这与形成了Cr23C6和Laves相有关，也可能与新的M23C6型碳化物析出以及长大有关；另一方面，铬的大量析出会导致材料的抗氧化性能降低，而析出相中钒、铌含量的增加则可能与MX 型碳氮化物的析出和长大有关。在T92钢的设计时，添加了一定量的钨，主要是为了形成钨钼复合固溶强化，但是钨的添加导致材料在长期蠕变过程中会有Laves相析出。Laves相析出初期由于其尺寸细小具有强化作用，能够阻止马氏体板条和位错回复，但是Laves相的长大速度快，并且它的析出和长大会消耗钼和钨元素，导致钼、钨的固溶强化效果减弱。从EDS分析结果可知，服役10 500h后的析出相中钨元素含量增加了25%（原子分数）左右，这与Laves相的析出有关。而Z 相是近些年研究的热点，在形成初期，细小的Z相粒子快速弥散析出能够在一定程度上提高材料的性能，随着蠕变时间的增加，Z相快速长大，并且Z相的析出和长大是以消耗MX 型碳氮化物为代价的［11］，在这两者的共同作用下材料的性能明显下降，但在本研究中并未发现Z相析出。

3 结 论

（1）服役10 500h之后的T92钢中原马氏体板条特征消失，晶粒长大，且铬、钼、钨、钒、铌等元素都从基体向析出相中转移，其中向火侧的析出相有团聚的现象。

（2）服役10 500h之后的T92钢向火侧、中性面、背火侧析出相类型相同，以Cr23C6、（V，Nb）N和Laves相为主。

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