1000MW二次再热锅炉HR3C材料应用性能研究

深能（河源）电力有限公司 王枢 深能合和电力（河源）有限公司 杨丹萍

1 引言

近年来，国内逐步建设高参数火电机组，由于超超临界机组二次再热锅炉参数更高，再热器出口气温能够达到623℃，出口压力能够达到11.42MPa，且超超临界二次再热相对一次再热机组热效率能够提高2%[1]，锅炉的稳定运行对材料要求更高，因此，材料的性能退化及其对安全性的影响受到越来越多的关注。某电厂锅炉一次再热器及二次再热器管排主要采用HR3C（型号为：SA-213TP310HCbN），该材料在国内二次再热机组上使用时间较短，因此，对运行后材料的特性深入研究有利于材料选择、安装指导、维护检修、运行操作，同时，对机组的稳定运行具有重要意义。该电厂某台机组运行2100h，锅炉二次高温再热器出现爆管，首爆口是二次再热出口左数65屏4号管，规格Φ57×4mm，材质牌号SA-213TP310HCbN，对爆管及周边管段取样进行了材料性能分析，主要从化学成分、力学性能、金相组织及形貌照片等方面进行分析，并与正常运行管进行对比。

2 化学成分

该台锅炉爆管后，截取两段取样管，取样1（爆管）及取样2 周边管利用牛津直读式台式光谱仪进行化学成分分析，化学成分满足ASME 标准要求，化学成分结果如表1所示。

表1 化学成分结果（单位：wt/%)

3 力学性能

3.1 硬度测试

对取样管2 进行硬度测试，载荷为5kg，硬度测试结果如图1所示。不同部位硬度值均满足标准要求，直管段硬度值较低，略高于标准下限。受加工硬化因素的影响，弯管区域硬度高管段。

图1 硬度测试结果

3.2 冲击测试

对取样管2 进行冲击试验，试验规格为10mm×2.5mm×55mm，冲击开口类型为V 型，开口深度为2mm，采用150J 摆锤进行冲击试验，室温冲击试验结果如表2所示，相关标准未规定冲击吸收能量值要求，但冲击值已不高于10J，可知其抵抗外力冲击能力较弱。该管为薄壁管，并且其抵抗外力冲击能力较弱。

表2 室温冲击试验结果（单位：J）

3.3 拉伸测试

对取样管2进行拉伸试验，采用12.5mm宽剖条试样，厚度为原始壁厚，标距为50mm，室温拉伸试验结果如表3所示，抗拉强度和屈服强度满足标准要求，延伸率低于标准要求，该材料长期高温运行后，塑韧性会降低[2]。

表3 室温拉伸试验结果

3.4 金相组织

取样管2直管段金相组织照片如图2所示。从图2可以看出，取样管2 直管部位金相组织为奥氏体组织，未观察到孪晶组织，内外壁组织较均匀。取样管2弯管段金相组织照片如图3所示。从图3可以看出，内弧部位外内壁处金相组织均为孪晶奥氏体，壁组织较为均匀，内弧外壁起弧呈波浪状，孪晶比例高于内壁处，系形变导致。

图2 取样管2直管段金相组织

图3 取样管2弯管段金相组织

取样管1直管段金相组织照片如图4所示。从图4可以看出，取样管1 直管上端金相组织为奥氏体，晶粒度正常，内外壁组织较均匀。

图4 取样管1弯管金相组织

从图4可以看出，取样管1弯管上在靠近主裂纹的外壁侧发现较多微裂纹（长0.1～0.3mm），微裂纹沿晶扩展，扩展方向与主裂纹平行，裂纹内存在氧化。取样管1 弯管下在靠近主裂纹的外壁发现较多微裂纹（长0.1～0.6mm），微裂纹沿晶扩展，扩展方向与主裂纹平行。主裂纹沿晶开裂，晶粒度4～5 级，为典型脆性断裂特征。从断口宏观形貌可以看出，断口呈锯齿状扩展，从外壁向内壁扩展。主裂纹附近存在多处由外向内扩展的微裂纹，微裂纹扩展方向与主裂纹平行，最长为0.6mm，裂纹沿晶界扩展。

图4 取样管1直管金相组织

3.5 SEM分析

取样管2弯管内弧奥氏体晶界上M23C6析出相呈链状分布，晶界析出相的宽度约为0.5μm。相关研究表明，粗化的M23C6析出相宽度达1μm 以上，而弯管内弧晶界上M23C6析出相没有发生明显粗化，不会因此导致明显的晶界贫Cr。

对原壁厚的小试样进行锤击，断口为明显的“冰糖状”沿晶断口，断口沿晶SEM 照片如图6所示。

图6 断口沿晶SEM照片

呈现出明显的脆性断裂特征，且断口附近存在沿晶二次裂纹，室温下该材料具有很大的脆性，与取样管冲击功不高于10J 相对应，是TP310HCbN材料典型的时效脆化特性。

4 结果与分析

试验分析TP310HCbN 化学成分满足标准，体现了目前材料制造工艺成熟。事故管及周边管的硬度符合规范要求，但脆性明显提高，符合该材料特性。

玉环电厂HR3C 管运行1年后，室温拉伸抗拉强度约为750MPa，屈服强度为约500MPa，延伸率约为30%，明显高于本文数据，但和原始管相比皆有下降，但两个电厂测试数据方向相同。

Eddystone 电站HR3C 运行1年后，室温冲击韧性低于20J/cm2，研究发现HR3C 运行后脆性增加是由于G 相在晶界析出[3]。本文冲击试验冲击值已不高于10J，抵抗外力冲击能力较弱，弯管部位相对直管更差。从断口电镜试验分析可知，断口为明显的“冰糖状”沿晶断口，为典型脆性断裂特征，且存在沿晶二次裂纹，表明室温下该材料具有很大脆性。HR3C经过10000h时效以后，冲击韧性将达到稳定值，而不再下降[4]。

经过2000h 运行后对直管和弯管部位进行了金相组织分析，晶粒度、夹杂物满足标准要求。直管部位金相组织为奥氏体组织，未观察到孪晶组织，而弯管部位出现了部分孪晶，孪晶组织的比例与变形量密切相关。

SEM分析表明孪晶组织处析出彼此平行呈条棒状的析出相，与晶界垂直，M23C6析出相的长度约为2～10μm，条棒状M23C6析出相的析出，与晶界处M23C6析出相的粗化一样，会消耗该区域晶界的Cr含量，造成晶界贫Cr，孪晶组织处的晶界抗腐蚀性能降低。

5 结语

TP310HCbN 钢在超超临界锅炉中大量使用，说明该材料制造工艺成熟，化学性能分析也验证了成分符合标准。但该材料经过长期高温运行后，抵抗外力冲击能力较弱、延伸率降低，塑韧性降低，具有脆化特性，使得该材料管道在锅炉检修时具有较高的要求，外壁机械损、碰撞以及在锅炉安装期间，需要对该材料管道对口时加强监管，不能强行对口，否则容易造成应力不能释放，造成拉裂甚至导致爆管，需要加强金属监督。通过金相分析可以看出形变导致弯管处金相组织产生孪晶组织比例高于内壁处。SEM分析可以看出，产生孪晶组织处的晶界抗腐蚀性能降低。因此，对该材料的加工工艺要求高。