T23、T91、TP347H钢管长时服役后的显微组织和拉伸性能

郭赉佳，谷树超，段 鹏，丁宪飞，王 松，刘宇哲

(1.上海漕泾热电有限责任公司，上海 201507；2.上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

0 引 言

T23钢、T91钢和TP347H钢因具有优良的综合性能而广泛应用于壁温不超过600 ℃的锅炉过热器和再热器管[1-3]。末级过热器和末级再热器是火电机组锅炉的关键承压部件。在炉内长期高温作用下，材料会发生显微组织退化，导致强度降低，严重时还会导致爆管事故[4-6]，给火电机组的安全运行带来一定风险。研究受热部件材料在高温长时使用后的显微组织及力学性能变化，评估受热面管的材料状态，对掌握锅炉剩余寿命、保障火电机组安全可靠运行具有非常重要的意义[7-9]。目前，有关T23钢、T91钢、TP347H钢等受热面管材料的组织和性能退化研究较多，但是有关相同服役环境下同台机组受热面管材料的对比分析报道较少。T23钢、T91钢、TP347H钢不同的化学成分和显微组织决定了其不同的强化机理，因此在高温服役环境中其显微组织和力学性能的退化也有所差异。分析对比上述3种材料在相同服役环境下的显微组织和力学性能变化，对于掌握类似高温材料在服役过程中的性能劣化规律和使用裕度，保障锅炉热管安全运行有着重要的借鉴意义。为此，作者以服役约7.8万h(12 a)的600 MW燃煤锅炉末级再热器T23钢管、T91钢管和TP347H钢管为研究对象，分析了3种材料的显微组织和拉伸性能，并对比了其在相同服役条件下的性能劣化程度，拟为燃煤发电锅炉关键承压部件的材料状态检验和剩余寿命评估提供基础信息。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料取自600 MW超临界参数变压运行螺旋管圈直流π型锅炉末级再热器管，锅炉型号为SG-1913/25.4-M967。该锅炉投产于2007年7月，至2019年3月累计运行时间78 215 h(约7.8万h)，启停38次。在额定工况下，再热器出口压力为3.94 MPa，出口温度为569 ℃，烟气进口温度为1 077 ℃，烟气出口温度为973 ℃。末级再热器与烟气呈顺流布置，由炉左(固定端)至炉右共设置33屏管排，每屏管排共18根管子，材料分别为SA-213T23钢、T91钢和TP347H钢，对应钢管规格分别为φ63.5 mm×3.76 mm，φ63.5 mm×3.76 mm，φ63.5 mm×4.23 mm。共截取9根末级再热器管，其中T23钢管试样5根，T91钢管试样2根，TP347H钢管试样2根。末级再热器管屏及具体取样位置如图1所示。经检测，同种材料末级再热器间的化学成分基本一致，且均满足ASME标准要求，如表1所示(所列数据均为各材料试样中的1号试样)。

图1 末级再热器取样示意(侧视图)Fig.1 Scheme of sampling from final boiler reheater (side view)

表1 末级再热器不同钢管试样的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of different steel tube samples from final boiler reheater (mass) %

1.2 试验方法

在不同钢管试样上取样，经打磨、抛光，再分别用体积分数4%的硝酸酒精溶液(T23钢管试样)和氯化铁盐酸水溶液(5 g三氯化铁+50 mL盐酸+100 mL水，T91和TP347H钢管试样)腐蚀后，采用Axio Oberver.D1m型倒置光学显微镜(OM)和Quanta FEG450型高分辨扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织，利用SEM附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。使用线切割技术在各钢管试样基体上截取0.3 mm厚的试样，经研磨、冲孔得到直径为3 mm、厚度在80～100 μm的圆片，再利用MTP-1A电解双喷仪进行减薄，双喷电压为45 V，电解液为质量分数7%的高氯酸酒精溶液，使用TECNAI F30型场发射透射电子显微镜(TEM)观察晶界析出相的微观形貌。

根据锅炉设计说明书提供的各管段介质温度信息，T23和T91钢管试样高温拉伸试验的温度设定为525 ℃，TP347H钢管试样的设定为570 ℃。按照GB/T 228.1-2010和GB/T 228.2-2015，在各钢管试样上机械加工出常温和高温弧形板状拉伸试样，尺寸如图2所示，利用C45.305型微机控制电子万能试验机进行常温和高温静态拉伸试验。拉伸控制模式为应变速率控制，应变速率以平行长度估算，分别为0.000 25 s-1(屈服之前)和0.000 67 s-1(屈服之后)。为减小试验误差，防止偶然数据的出现，显微组织分析和力学性能试验均在再热器管迎烟侧取样，拉伸试验均测试3组平行试样并取平均值。

图2 常温和高温拉伸试样的尺寸Fig.2 Size of specimens for room temperature tensile (a) and elevated temperature tensile (b)

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

在相同条件下服役7.8万h后，不同位置同种材料试样之间的显微组织差异不大。各钢管试样的典型显微组织如图3所示。由图3可知：T23钢管试样的显微组织为铁素体、贝氏体和碳化物，贝氏体位向明显分散，晶粒尺寸粗化；晶界碳化物粒子数量较多，尺寸较大，接近2 μm，且呈现不同程度的链状分布特征。根据DL/T 884-2004中非珠光体钢的老化级别评定原则，末级再热器T23钢管试样的显微组织老化级别为4级。TP347H钢管试样的显微组织为奥氏体+碳化物，晶界出现明显的下凹现象，同时存在粗大第二相。根据DL/T 1422-2015，末级再热器TP347H钢管试样的显微组织老化级别为3.5级。T91钢管试样的显微组织为马氏体+少量铁素体，马氏体位向明显分散，晶界处析出较多碳化物且碳化物严重粗化，呈不同程度的链状分布。根据DL/T 884-2004中非珠光体钢的老化级别评定原则，末级再热器T91钢管试样的显微组织老化级别为4级。

图3 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样的典型OM和SEM形貌Fig.3 Typical OM (a-c) and SEM (d-f) morphology of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h: (a, d) T23 steel; (b, e) TP347H steel and (c, f) T91 steel

图4为各钢管试样中碳化物(图3中箭头所指位置)的EDS分析结果。由图4(a)可以看出，T23钢管试样中尺寸接近2 μm的粗大碳化物含有较高含量的铬元素，钼和钨元素的质量分数分别为4.76%和17.01%，明显高于基体中的相应元素含量(表1)。结合图5(a)中碳化物衍射斑点分析可知，该碳化物为富钨M6C相。长时高温服役后，T23钢中的M23C6型碳化物会发生Ostwald熟化，由富铬和富铁的(Cr，Fe)23C6相转变为富钨的M6C相[10-11]。富钨M6C相的析出与长大，说明T23钢管试样的显微组织已发生明显老化。此外，由图5(a)还可以看出，T23钢管试样组织中的位错密度较低，粗大的M6C碳化物主要分布在贝氏体板条或原奥氏体晶界位置。

图4 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样中晶界碳化物的EDS谱Fig.4 EDS patterns of carbides along grain boundaries in different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) T23 steel; (b) TP347H steel and (c) T91 steel

图5 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样的TEM形貌及晶界碳化物衍射斑点Fig.5 TEM micrographs and diffraction patterns of grain boundary carbides of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h: (a) T23 steel; (b) TP347H steel; (c) T91 steel，view 1 and (d) T91 steel，view 2

由图4(b)可以看出，TP347H钢管试样中的碳化物含有质量分数较高的铬元素，明显高于基体中的铬元素含量(表1)。结合图5(b)中碳化物衍射斑点分析可知，TP347H钢管试样中的粗大碳化物为面心立方(FCC)结构的M23C6相。长时高温服役后，TP347H钢的晶界处会产生富铬的M23C6相[9,12]。较大M23C6相的出现，表明TP347H钢管试样的组织发生了一定程度的老化[13]。由图5(b)还可以看出，TP347H钢管试样组织中仍存在较高密度的位错，位错线附近有较多弥散分布的MX型纳米级沉淀相。这种细小的MX相可以在一些区域形成大量的位错塞积和位错墙，使位错无法运动，从而提高钢的强度[14-15]。

对于P91/T91钢来说，随服役时间延长，在原奥氏体晶界和马氏体板条界面等位置会析出Laves相，并不断长大。相比于富铬M23C6相，Laves相中的钼含量明显增加，其化学式可表示为Fe2Mo[16-17]。由图4(c)和表1分析可知，T91钢管试样晶界碳化物中的铬含量与基体中的铬含量差别不大，但钼含量明显高于基体中的钼含量。由图5(d)中碳化物衍射斑点分析可知，该富钼碳化物为密排六方(HCP)结构(晶带轴[012])，这证实了T91钢管试样组织中已出现明显长大的Laves相，与已有研究结果[18]相符。另外，T91钢管试样晶界内可见弥散分布的MC型碳化物和周围钉扎的位错结构，相比原始态T91钢的板条形貌和高密度位错结构[19]，其马氏体发生明显碎化(呈节状)，位错密度降低，组织呈现明显的老化特征[20]。

各钢管试样在晶界处均析出了粗大的碳化物，原固溶于基体相中的铬、钼等合金元素出现明显的向晶界碳化物偏聚的脱溶现象，其固溶强化作用减弱；同时粗大的碳化物破坏了晶界的连续性，容易在晶界处引起应力集中，产生蠕变孔洞。此外，对于TP347H奥氏体不锈钢而言，M23C6相在晶界处的不断析出和长大，不仅会造成其韧性的下降，还会在晶界形成贫铬区，从而诱发晶间腐蚀[21]。

2.2 拉伸性能

ASME SA213规定：在20 ℃时，T23钢、TP347H钢和T91钢的屈服强度下限分别为400，205，415 MPa；抗拉强度下限分别为510，515，585 MPa；断后伸长率下限分别为20%，35%，20%。由图6可知：高温服役约7.8万h后，不同位置TP347H钢管试样的常温拉伸性能均满足标准要求，其屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均远高于标准下限值；T91-1号试样的抗拉强度和T91-2号试样的伸长率分别低于和接近标准下限值，其他指标均满足标准要求，但接近标准下限值；不同位置T23钢管试样的强度指标均低于标准下限值，伸长率满足标准要求。综上可知：高温服役7.8万h后，T23钢和T91钢的常温拉伸性能发生劣化；TP347H钢则无论是强度还是塑性，均表现出较宽的使用裕度。

图6 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样的室温拉伸性能Fig.6 Tensile properties at room temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) yield strength and tensile strength and (b) elongation

根据GB/T 5310-2017，采用内插法计算得到T23钢、TP347H钢和T91钢在试验温度下的最小屈服强度分别为314.5，124.2，283.0 MPa。由图7可知：所有T23钢管试样的高温屈服强度均低于其标准下限值(314.5 MPa)；所有TP347H和T91钢管试样的高温屈服强度均满足标准要求，但T91钢管试样的抗拉强度低于ASME SEC Ⅱ D SB PT 1-2005规定的在525 ℃下的最低抗拉强度(410 MPa)。另外，在高温状态下，TP347H钢表现出最大的抗拉强度降幅，最小的屈服强度降幅，以及最大的伸长率降幅；服役7.8万h后TP347H钢在高温下的延展性明显降低。

图7 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样的高温拉伸性能Fig.7 Tensile properties at elevated temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h:(a) yield strength and tensile strength and (b) elongation

屈强比是指屈服强度与抗拉强度的比值，可表征材料均匀变形的能力，即由塑性变形直至最后断裂过程的变形容量，亦可表征材料抵抗屈服和塑性不稳定变形的能力。屈强比大的钢材可以充分发挥构件的使用性能，制作的结构件可靠性高。但是，屈强比愈小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，结构安全性愈高。然而屈强比太小，钢材不能得到有效的利用，又会造成钢材浪费[22]。由图8可知：无论是常温还是高温状态，TP347H钢管试样的屈强比均最小，说明高温服役7.8万h后TP347H钢仍表现出较高的塑性和结构安全性；在高温状态下，3种钢管试样的屈强比均有所升高，说明高温状态下的安全性能有所下降，其中TP347H钢管试样下降得更快。

图8 服役7.8万h后末级再热器不同钢管试样的室温和高温屈强比Fig.8 Yield ratios at room temperature and high temperature of different steel tube samples from final boiler reheater after service for 7.8×104 h

3 结 论

(1) 服役7.8万h后，末级再热器不同位置处T23、TP347H和T91钢管的显微组织均呈现老化特征，3种材料在晶界处均有较多尺寸粗大的碳化物析出，其中T23钢管试样中的碳化物主要为M6C，TP347H钢管试样中的主要为M23C6，T91钢管试样中的主要为Laves相；T23、TP347H和T91钢管试样的显微组织老化级别分别为4级、3.5级和4级。

(2) 服役7.8万h后，T23钢管试样的常温拉伸性能和高温拉伸性能均呈现严重的劣化倾向，且低于标准规定的下限指标；T91钢管试样的抗拉强度明显下降；TP347H钢管试样的拉伸性能则满足标准要求。

(3) 在高温服役过程中，相比于T23和T91钢管试样，TP347H钢管试样呈现良好的强度和结构安全性，但在高温状态下的断后伸长率明显降低，表明其延展性下降；由于TP347H钢管试样的晶界有较多富铬M23C6相析出，因此应注意防范其晶间腐蚀。