HR3C钢长期高温运行后的组织性能研究

李艳军，牛保献

(河南恩湃高科集团有限公司，郑州　450052)



HR3C钢长期高温运行后的组织性能研究

李艳军，牛保献

(河南恩湃高科集团有限公司，郑州450052)

摘要：对长期高温运行后的HR3C钢管材进行了机械性能和金相组织检验，并与备用新管进行比较，通过试验可知HR3C钢管材的强度与备用新管差别不大，但脆性明显增加，断后延伸率及冲击韧性大幅降低，大量碳化物在晶界呈片状分布，降低了晶界强度，使材料容易沿晶界脆断。

关键词：HR3C钢；奥氏体；耐热钢；超超临界

表1　管样机械性能

0引言

HR3C钢是日本住友电气工业株式会社在TP310H奥氏体不锈钢中添加N和Nb元素而开发出来的25Cr20Ni型奥氏体不锈钢，被命名为HR3C。在600～750 ℃条件下，HR3C钢的蠕变断裂强度明显高于TP347H，TP310系列耐热钢，同时其高温抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀性能明显优于18Cr-8Ni型耐热钢，目前已被广泛应用于超超临界锅炉高温过热器、高温再热器(以下简称高再)[1-4]。对HR3C钢长时间高温运行后的组织性能进行研究，对锅炉寿命评估具有重要意义。

河南某电厂#1机组为600 MW超超临界机组，于2012年11月1日投产运行，启、停10余次，截至2015年3月5日，#1机组高再炉管已累计运行约810 d。试验取样的高再炉管材质为HR3C，规格为ø 57 mm×4 mm，运行温度在620～630℃。

1性能试验

试验选取原始备用新管1根，运行中炉管4根。运行炉管取样位置为高再从南向北第43～46排最外圈，对所取管样进行以下试验分析。

1.1机械性能检测

备用新管和第43～46排管材室温力学性能检测结果见表1。备用新管抗拉强度和硬度符合相关要求，拉断试样有明显颈缩，断后延伸率在40%以上。第43～46排管材试样的抗拉强度和硬度符合相关标准要求，但延伸率则远低于相关标准要求(ASME Code Case 2115-1要求抗拉强度大于655 MPa，断后延伸率大于30%，硬度小于256 HB)。

受管样规格限制，无法加工标准冲击试样，所加工的冲击试样尺寸为5 mm×3 mm×55 mm，缺口为1 mm的V型缺口，所得数据仅用于比较冲击韧性的降低幅度。

拉伸试样断口形态如图1所示，备用新管延伸性能良好，而第43～46排管样断口周边几乎没有塑性形变现象，无明显颈缩，断口平齐，断面呈亮灰色，显示出明显的脆性特征。通过表1数据可知，运行管样断后延伸率和冲击韧性均降低了80%以上。

1.2金相检验

试验采用FeCl3盐酸水溶液作为浸蚀剂，HR3C备用新管的金相组织如图2所示，是组织形态良好的奥氏体组织；而第43～46排运行管材耐浸蚀性能较差，需将标准FeCl3盐酸水溶液稀释为原来的20%后浸蚀做金相检验，说明运行炉管抗腐蚀性能降低。在金相显微镜下观察到第43～46排HR3C管材晶界较宽，有大量析出物呈片状连续分布。由于第43～46排管材组织相同，以第44排管样组织为例，如图3、图4所示。

图1　备用新管及第43～46排管样拉伸断口形态

图2　HR3C钢备用新管金相组织

图3　第44排管最外圈金相组织(500×)

图4　第44排管最外圈金相组织(1 000×)

图5为管材抛光态下的形貌，抛光态下组织晶界清晰可见，说明晶界析出了连续的第2相，并且与晶粒内性能差异较大。图6为第1爆口附近管段试样断裂形态，可以看出，试样在拉伸断裂时是沿晶脆断，说明晶界是运行管的薄弱部分。

图5　第44排管样抛光态形貌(500×)

2试验结果与分析

该电厂所提供的高再备用新管组织及各项机械性能均正常，而运行中炉管的拉伸断口无明显颈缩，断口平齐，断面呈亮灰色，显示出明显的脆性特征，并且其断后延伸率仅为10%左右，材料的强度虽无明显降低，但韧性和塑性极差。从金相检验结果来看，运行炉管组织晶界较宽且有大量薄片状析出物连续分布，拉伸断裂属于沿晶断裂，长期运行后的HR3C管材在受到撞击时很容易引起沿晶脆断。

HR3C管材在600～750 ℃范围内时效常见析出物为NbCrN，MX，M23C6及δ脆性相，其中M23C6会沿晶界析出和生长，起初在晶界上呈链状分布，经过较长时间时效后，晶界上M23C6明显增多，并呈连续片状分布，这在很大程度上削弱了晶界强度[4-6]。本次试验中运行炉管晶界有大量连续薄片状析出物，其特征符合有关文献中论述的M23C6析出物特征[7-8]，故认为试验发现的晶界片状析出物为M23C6，大量碳化物的析出消耗了晶界附近较多合金元素,在晶界附近可能造成合金元素的贫化带，使晶界强度大大降低，因此拉伸试验时的断裂方式呈沿晶脆断。另外，M23C6是硬脆相，与基体塑性变形不一致，在应力作用下将阻碍基体的塑性变形，从而在晶界基体金属和M23C6粒子之间引发裂纹，容易沿晶界发生脆性断裂。

图6　第44管样拉伸断口形态(200×)

3结论

(1)HR3C炉管长时间运行后强度变化不大，但脆性明显增加，延伸率及冲击韧性远低于相关标准要求。

(2)在620～630 ℃运行810 d后，HR3C管子组织晶界变宽且有大量薄片状M23C6析出物连续分布，并使晶界强度降低。

参考文献：

[1]唐利萍.超超临界锅炉用钢的发展[J].应用能源技术，2007(10):20-21.

[2]于鸿垚，董建新，谢锡善.新型奥氏体耐热钢HR3C的研究进展[J].世界钢铁，2010，10(2)：42-49,61.

[3]李太江，刘福广，范长信，等.超超临界锅炉用新型奥氏体耐热钢HR3C的高温时效脆化研究[J].热加工工艺，2010，39(14)：43-46.

[4]方圆圆，赵杰，李晓娜.HR3C钢高温时效过程中的析出相[J].金属学报，2010，46(7)：844-849.

[5]刘俊建，陈国宏，王家庆，等.时效热处理对HR3C钢组织结构及力学性能的影响[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2011(1)：47-51.

[6]李太江，刘福广，陈伟武，等.HR3C钢焊接接头高温时效后的显微组织和力学性能[J].金属热处理，2012(8)：16-20.

[7]张忠文，李新梅，杜宝帅，等.650 ℃时效条件下HR3C钢焊缝金属组织与韧性[J].材料热处理学报，2011(4)：104-109.

[8]郑子杰.HR3C钢管时效冲击韧性大幅降低的原因分析[J].锅炉技术，2011,42(4)：46-48.

(本文责编：弋洋)

收稿日期：2016-04-07；修回日期：2016-05-18

中图分类号：TG 115.21

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)05-0043-03

作者简介：

李艳军(1983—)，男，河南濮阳人，助理工程师，工学硕士，从事电力系统金属技术监督、失效分析、理化检测方面的工作(E-mail:liyanjun1202@163.com)。