服役脆化态HR3C钢管的缺口敏感性

2020-03-04

机械工程材料 2020年2期

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中电力试验研究院，郑州 450001)

0 引言

节约能源、减少污染物排放是目前火电机组发展的主流方向，高蒸汽参数的超临界和超超临界机组因具有运行可靠性好、热效率高等优点正逐渐在全世界得到推广[1-2]。传统18-8型奥氏体耐热钢因抗蒸汽氧化性能和耐烟气腐蚀性能较差而难以满足高蒸汽参数火电机组发展的需要。在其基础上，日本住友公司开发了25Cr-20Ni型HR3C耐热钢[3]。HR3C钢中的镍含量(质量分数，下同)为20%，可有效提高钢的抗烟气腐蚀性能；铬含量为25%，一方面可提高钢的抗蒸汽氧化性能，另一方面可使氮达到最大溶解度，促使钢中析出细小弥散的NbCrN强化相，从而提高其高温蠕变强度[4-7]。

HR3C钢目前主要应用于我国600/605 ℃主蒸汽机组受热面管的高温段，在实际运行过程中，其管壁温度可达700 ℃。HR3C钢管长时间在高温高压条件下服役后，组织中的碳化物会在晶界析出并聚集长大成颗粒状、棒状等，进而影响其力学性能，尤其是抗冲击性能[8-12]。罗坤杰等[9]研究表明，服役4万h 的HR3C钢受热面管的冲击韧度仅为6 J·cm-2，相比于供货态的下降了97%；郑子杰[10]研究发现在700 ℃下时效1 000 h后，HR3C钢的冲击功由供货态的95.3 J降为9.3 J，下降约90.2%，时效10 000 h后的冲击功仅为2.3 J，下降达97.6%。

在长时间时效后，HR3C钢管的冲击功极低，表明其已处于明显的脆化状态。材料脆化必然伴随着缺口敏感性的提高，进而增大设备安全风险，引发安全事故。在超超临界锅炉运行中，脆化后的HR3C钢管很容易发生脆性断裂。并且，在停机检修过程中，当HR3C钢受热面管受到碰撞或者其他冲击载荷作用时，其表面极易产生凹坑、裂纹等缺陷，机组重新启动后这些缺陷容易扩展并引起爆管[13]。然而，目前鲜有关于裂纹长度和尖端角度对脆化态HR3C钢管性能影响的相关研究，因此作者在取自未服役和服役5万h脆化态HR3C钢管的拉伸试样上预制了不同尺寸的V型和U型缺口，通过拉伸试验研究了HR3C钢管的缺口敏感性。

1 试样制备与试验方法

试验材料取自某电厂超超临界机组高温再热器HR3C钢受热面管出口段，出口处温度为605 ℃，压力为4.67 MPa，钢管规格为φ57 mm×4 mm。至取样时，机组已累计运行约5万h。同时，取供货态未服役的HR3C钢管进行对比试验。

在未服役和服役5万h后的钢管上截取试样，用三氯化铁盐酸水溶液(50 g FeCl3+30 mL HCl+70 mL H2O)浸蚀，使用Leica DMi8 C型光学显微镜(OM)和JSM-7001F型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。按照GB/T 229-2007加工出尺寸为55 mm×10 mm×2.5 mm的V型冲击试样，使用XJJD-5型摆锤冲击试验机测试冲击性能。根据GB/T 228.1-2010，采用全壁厚试样进行拉伸试验。试样形状和尺寸如图1所示，平行段宽15 mm，中部两侧开V型或U型缺口，缺口尺寸见表1。使用UTM5105X型电子万能试验机对未开缺口试样(光滑试样)和缺口试样进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1，各测3个平行试样。

图1 带缺口拉伸试样的形状与尺寸Fig.1 Shape and size of notched tensile samples

材料的缺口敏感性通常用缺口敏感度来表征。拉伸缺口敏感度的计算公式为

NSR=σbn/σb

(1)

式中：NSR为缺口敏感度；σbn为缺口试样抗拉强度；σb为光滑试样抗拉强度。

当NSR大于等于1时，表示材料对缺口不敏感；当其明显小于1时，表示材料对缺口敏感[14]。

表1 未服役和服役钢管拉伸试样缺口的形状与尺寸Table 1 Shape and size of notches in tensile samples from unserviced and serviced steel tube

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织和抗冲击性能

由图2可知，供货态未服役HR3C钢管组织中除含有少量未溶第二相外，晶界与晶内均无明显碳化物聚集，而服役后钢管中的碳化物在晶界与晶内大量析出。测试得到未服役钢管的冲击功为95 J，服役后钢管的冲击功为3.5 J，服役后的抗冲击性能大幅度降低。由此可见，服役5万h后HR3C钢管发生脆化。

2.2 拉伸性能和缺口敏感性

2.2.1 缺口底部曲率半径的影响

由图3可知：当缺口长度均为1.00 mm时，脆化态钢管的缺口底部曲率半径对其抗拉强度的影响较大。当底部曲率半径小于0.25 mm时，脆化态缺口试样的抗拉强度较其光滑试样的下降幅度较大，当底部曲率半径增大至0.85 mm时，其抗拉强度与其光滑试样的基本相当。未服役钢管缺口试样的抗拉强度明显高于其光滑试样的，这是由于缺口的存在改变了缺口前方的应力状态，试样所受的应力由原来的单向拉伸变为两向或三向拉伸应力，使得试样的抗拉强度比单向拉伸时的要高，即产生了“缺口强化”效应[15]。当缺口底部曲率半径为0.10 mm时，脆化态缺口试样的屈服强度较其光滑试样的大幅下降;当缺口底部曲率半径在0.13～0.85 mm时，其对屈服强度的影响不大。未服役钢管缺口试样的屈服强度大于其光滑试样的。缺口底部曲率半径对服役前后钢管断后伸长率的影响规律相似，且缺口的存在均显著降低了断后伸长率，这是因为当金属材料存在缺口时，在缺口尖端会产生应力集中和三向应力状态，使材料出现脆化倾向。

脆化态钢管和未服役钢管的缺口敏感度随曲率半径的变化规律与抗拉强度的一致。当缺口底部曲率半径不大于0.25 mm时，脆化态钢管的缺口敏感度远小于1，说明其对缺口的敏感性较大；当曲率半径大于0.7 mm时，缺口敏感度接近甚至大于1，说明其对缺口的敏感性减小并最终变得不敏感。未服役钢管对缺口不敏感。

图2 未服役和服役5万h后HR3C钢管的显微组织Fig.2 Microstructures of HR3C steel tube before (a-b) and after 50 000 h service (c-d)：(a,c) OM morphology and (b,d) SEM morphology

图3 未服役与服役5万h脆化态HR3C钢管抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及缺口敏感度随缺口底部曲率半径的变化曲线 (V型缺口，角度60°，长度1.00 mm)Fig.3 Curves of tensile strength (a), yield strength (b), elongation after fracture (c) and notch sensitivity ratio (d) vs notch root curvature radius of HR3C steel tube before service and in embrittlement state after 50 000 h service (V-notch, 60° angle, 1.00 mm length)

2.2.2 缺口长度的影响

由图4可知：脆化态V型缺口试样的抗拉强度随着缺口长度的增大先快速降低而后变化幅度不大，当缺口长度为0.25 mm时，抗拉强度与其光滑试样的相近，缺口长度大于0.5 mm时，较其光滑试样的大幅降低；V型缺口试样的屈服强度随缺口长度的增加而增大。U型缺口试样的抗拉强度和屈服强度均随着缺口长度的增加先升高后降低，其中屈服强度较其光滑试样的升高幅度较大。缺口长度对V型和U型试样断后伸长率的影响规律基本一致，即随着缺口长度的增加，断后伸长率逐渐降低，且均低于光滑试样的。脆化态钢管的缺口敏感度随着缺口长度的增加而减小，当缺口长度为0.25 mm，缺口敏感度接近1，钢管对缺口的敏感性较小；缺口长度大于0.5 mm时，缺口敏感度远小于1，钢管对缺口较为敏感。脆化态HR3C钢管对U型缺口不敏感。综上，脆化态HR3C钢管对V型缺口的敏感性高于对U型缺口的。

图4 不同缺口类型下脆化态HR3C钢管的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及缺口敏感度随缺口长度的变化曲线Fig.4 Curves of tensile strength (a), yield strength (b), elongation after fracture (c) and notch sensitivity ratio (d) vs notch length of HR3C steel tube in embrittlement state with different notch types