P92钢长期高温服役后组织性能试验分析

史志刚，熊 伟，张红军，贾建民，马 红，张宝柱，孟永乐



P92钢长期高温服役后组织性能试验分析

史志刚1，熊 伟2，张红军1，贾建民1，马 红1，张宝柱1，孟永乐1

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054； 2.华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江 玉环 317604）

采用化学成分分析、力学性能试验及微观组织分析等方法，分析了服役8.5万h的P92钢力学性能和微观组织，并与原始管分析结果进行对比。结果表明：P92钢经8.5万h高温服役后，除高温抗拉强度外，其他力学性能指标均满足标准对新管的要求；与原始管相比，服役管的性能已有明显劣化，室温规定塑性延伸强度下降了9.2%，室温抗拉强度下降了3.0%，室温断后伸长率下降了7.7%，室温纵向和横向冲击吸收能量分别下降了73%和65%，硬度下降了2.5%；与原始管在610 ℃相比，服役管在600 ℃的规定塑性延伸强度下降了6.1%；P92钢服役管的微观组织也有明显老化，虽然其金相组织中的马氏体组织形态仍明显，但亚结构中有局部马氏体板条发生回复，出现亚晶粒并等轴化，第二相在晶界和板条界析出较多，Laves相粗化明显。

P92钢；高温服役；微观组织；力学性能；高温拉伸试验；冲击试验；硬度试验

P92钢自2006年开始作为超超临界机组中的高温蒸汽管道和集箱用钢，在我国已有十余年的使用历程，首批投运机组中已服役近10万h[1-2]。P92钢的蠕变性能、时效性能及其微观组织分析已得到广泛研究[3-10]，但对于P92钢长期高温服役后的组织性能变化研究则报道较少，仅有短时间服役条件下P92钢组织性能变化的研究[11-13]。因此，研究P92钢在长期高温服役过程中材料的老化、劣化及损伤程度及其规律，对保证P92钢部件的长期安全运行具有重要意义。

本文对国内首批使用、服役时间达8.5万h的P92钢蒸汽管道取样进行力学性能和微观组织试验，并与原始管样的组织性能进行对比分析[14-15]，为P92钢部件长期高温服役的金属监督检验提供技术支持。

1 试验材料与方法

试验材料取自国内首批投运、服役8.5万h的超超临界1 000 MW机组的主蒸汽管道支管，规格为ID248 mm×53 mm，蒸汽设计温度和压力分别为610 ℃和27.56 MPa。

化学成分分析包括主要元素、残余元素和五害元素；样品分纵向外层、纵向内层、横向外层和横向内层各制取2个拉伸试样，分别在室温和600 ℃下在CMT5205型拉伸试验机进行拉伸试验；在样品分纵向外层、纵向内层、横向外层和横向内层各制取3个带V型缺口的冲击试样，在室温下JBC-300型冲击试验机上进行冲击试验，将每组3个试验值取平均；在HVS-50型维氏硬度机进行维氏硬度试验，加载载荷为30 kgf，保持时间15 s；在OLYMPUS GX71型光学显微镜、Quanta 400 HV型扫描电镜（SEM）和JEM 2010型透射电镜（TEM）进行微观形貌观察，采用SEM上的能谱仪（EDS）进行第二相成分分析。

2 结果与分析

2.1 化学成分分析

与现行ASME SA335版本相比，服役P92钢管采购时未对钛和锆含量要求，铝含量的要求范围较宽。服役P92钢管的化学成分分析结果见表1，由表1可见：服役管的各元素含量符合现行版本要求，残余元素含量符合标准GB 5310的要求（≤0.20%），五害元素含量处于较低水平。

表1 服役P92钢管的化学成分分析结果

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

2.2 拉伸性能分析

P92钢服役管室温和600 ℃高温拉伸试验结果及与原始管的室温和610 ℃拉伸试验结果对比如 图1所示。由图1可见：服役管的室温规定塑性延伸强度P0.2、抗拉强度m和断后伸长率符合ASME SA335对P92新管的要求，即P0.2≥440 MPa，m≥620，≥20%；600 ℃的规定塑性延伸强度符合ASME code case 2179-8对P92新管的要求（P0.2≥251 MPa），但其600 ℃的抗拉强度（310 MPa）已明显低于ASME code case 2179-8对P92新管的要求（m≥376 MPa）；服役管的纵向和横向性能未见明显差异。与原始管室温性能相比，服役管的室温规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后伸长率均有所降低，分别下降了9.2%、3.0%和7.7%；服役管在600 ℃的规定塑性延伸强度、抗拉强度和断后伸长率也均低于原始管在610 ℃时。

2.3 冲击性能分析

P92钢的服役管与原始管的室温冲击吸收能量试验结果如图2所示。由图2可见：服役管的室温纵向冲击吸收能量已低于ASME SA335对P92新管的要求（≥40 J），其室温横向冲击吸收能量虽符合ASME SA335的要求（≥27 J），但已接近要求下限值。与原始管相比，服役管的冲击吸收能量大幅下降，其纵向数值和横向数值降幅分别为73%和65%。

图2 P92钢的服役管与原始管的室温冲击吸收能量试验结果

2.4 硬度分析

P92钢的服役管与原始管的布氏硬度试验结果对比如图3所示。由图3可见：服役管近外壁、中部和近内壁的布氏硬度值符合ASME SA335对P92新管的要求，近内壁和中部的硬度值略低于近外壁。服役管中部和近内壁的硬度值略低于原始管，降幅为2.5%。

图3 P92钢的服役管与原始管的布氏硬度试验结果对比

2.5 光学金相组织分析

P92钢的服役管与原始管的光学金相组织和内壁氧化层的光学金相组织如图4所示。

图4 P92钢的服役管与原始管的光学金相组织和内壁氧化层形貌

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

由图4可见：服役管金相组织中的马氏体组织形态仍明显，一些第二相在晶界板条界析出，未见蠕变孔洞，内壁氧化层厚度为0.50 mm。与原始管相比，晶界和晶内的第二相数量有所增多。

2.6 扫描电镜形貌分析

扫描电镜二次电子像（SEI）对样品表面形貌信息敏感，析出的第二相均显示较高亮度；而背散射电子（BEI）对样品平均原子序数敏感，因此根据Laves相和M23C6的平均原子序数不同，将其可在BEI下区分，其中Laves相呈高亮度。P92钢的服役管的扫描电镜形貌如图5所示。由图5可见：服役管在晶界析出较多颗粒较大的第二相，最大直径达1 μm，晶内也有少量尺寸较小的第二相析出；根据EDS能谱分析结果（图6），可判断高亮度的相为Laves相，与高亮度一体的低亮度的相为M23C6，由BEI像可见颗粒大的第二相由高亮度的Laves相和低亮度的M23C6共同组成。

2.7 透射电镜形貌分析

P92钢服役管的透射电镜形貌如图7所示。由图7可见：服役管的亚结构仍以板条马氏体形态为主，局部马氏体板条发生回复，出现亚晶粒并等轴化，晶内的位错密度较低；较多第二相在晶界和板条界析出，晶内有少量第二相析出。

由电子衍射花样分析（图8和图9）可见，晶界粗化的第二相为M23C6，晶界和亚晶界中的部分第二相为Lavse相，晶内细小第二相为MX。

图7 P92钢服役管的透射电镜形貌

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

图8 P92钢服役管的M23C6的电子衍射花样

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

图9 P92钢服役管的laves相的电子衍射花样

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

3 分析和讨论

P92钢在高温服役过程中，随着时间的延长，会发生一系列的组织老化：马氏体分解，位错密度下降，亚晶的形成与长大，第二相、氮化物、Laves相和Z相的析出、长大与偏聚。这些组织结构变化会导致硬度、规定塑性延伸强度和抗拉强度下降，冲击吸收能量、断后伸长率和断面收缩率下降，脆性转变温度上升等[15-16]。

P92钢的服役管采购时无钛和锆的要求，铝的要求范围较宽，这易消耗氮影响强化相MX的析出，进而影响长期高温蠕变性能，故现行版本增加了对钛和锆的上限含量要求并降低了铝的上限值。服役管的化学成分分析结果符合现行版本的要求，残余元素铜和五害元素的含量未见异常，这表明服役管不存在元素影响高温蠕变性能的情况。

服役8.5万h后，P92钢管室温下的拉伸性能、冲击吸收能量和硬度、600 ℃的规定塑性延伸强度等力学性能符合标准对新管的要求，仅600 ℃的抗拉强度明显低于标准对新管的要求。关于P92钢的高温抗拉强度，虽然ASME code case 2179-8有规定，但大量实验结果表明，高温抗拉强度指标很难达到，故2017版本的GB 5310中也取消了对P92钢的高温抗拉强度的规定，改为高温塑性延伸强度。

与未服役的P92钢原始管相比，服役管的各个力学性能均有下降现象，表明经8.5万h服役后，力学性能有一定的劣化。服役管的室温规定塑性延伸强度下降了9.2%，室温抗拉强度下降了3.0%，室温断后伸长率下降了7.7%，室温纵向和横向冲击吸收能量分别下降了73%和65%，硬度下降了2.5%，与610 ℃相比，P92钢服役管600 ℃的规定塑性延伸强度下降了6.1%。虽然冲击吸收能量下降幅度较大，但是由于其存在与服役时间的非单调关系，故无法作为主要评价指标；硬度的降幅最小，文献[16]介绍硬度存在蠕变初期快速下降、随后降幅趋缓的现象，故硬度虽方便测试但不能作为唯一指标。

P92钢服役管的微观组织也有明显老化，虽然其金相组织中的马氏体组织形态仍明显，但亚结构中的局部马氏体板条发生回复，出现亚晶粒并等轴化，晶内的位错密度较低；较多第二相在晶界和板条界析出，第二相存在由M23C6向Laves相转变情况，其中Laves相粗化明显，最大直径达1 μm。

4 结 论

1）P92钢经8.5万h高温服役后，除高温抗拉强度外的其他力学性能指标均满足标准对新管的要求。

2）与原始管相比，P92钢服役管的性能已有明显劣化，室温规定塑性延伸强度下降了9.2%，室温抗拉强度下降了3.0%，室温断后伸长率下降了7.7%，室温纵向和横向冲击吸收能量分别下降了73%和65%，硬度下降了2.5%，与610 ℃相比其600 ℃的规定塑性延伸强度下降了6.1%。

3）P92钢服役管的微观组织也有明显老化，虽然其金相组织中的马氏体组织形态仍明显，但亚结构中有局部马氏体板条发生回复、出现亚晶粒并等轴化、较多第二相在晶界和板条界析出、Laves相粗化明显等特征。

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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

史志刚, 熊伟, 张红军, 等. P92钢长期高温服役后组织性能试验分析[J]. 热力发电, 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

史志刚(1980—)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电站材料组织性能，shizhigang@tpri.com.cn。

（责任编辑 杜亚勤）