于程煒 孫思聰 楊 旭

（1.天津國(guó)華盤山發(fā)電有限責(zé)任公司 天津 301900）

（2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

能源是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著能源短缺狀況的逐漸凸顯和環(huán)境污染問(wèn)題的日益加重，為提高發(fā)電效率，各國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始尋求向大容量、高效率的發(fā)電機(jī)組發(fā)展，而提高發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)是提高發(fā)電效率、降低煤耗最為有效的解決方法。目前，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家超臨界發(fā)電技術(shù)發(fā)展已十分完善，并逐步向超超臨界狀態(tài)提升，我國(guó)在超臨界發(fā)電技術(shù)上也日臻完善，超超臨界技術(shù)的開(kāi)發(fā)也已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[1，2]。

在耐高溫結(jié)構(gòu)材料的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，9%～12% Cr的高鉻馬氏體耐熱鋼以高蠕變性能、低熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率以及低廉的價(jià)格成為各國(guó)研究發(fā)展的首選鋼種[3]。P91由于其優(yōu)良的抗蠕變性能、較好的抗氧化性、耐腐蝕性能成為超臨界機(jī)組主蒸汽管道、過(guò)熱器與再熱器管道首選材料[2]。

然而，在高溫、高壓、高腐蝕介質(zhì)工況下長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行造成的損傷積累，使得超臨界機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中開(kāi)裂、爆管等失效事故時(shí)有發(fā)生。尤其是彎頭部位，蒸汽流動(dòng)通常在此處改變方向，且其對(duì)管道運(yùn)行中的振動(dòng)和約束力起到了一定的減緩作用，從而提高管道的柔性。此外，彎頭部位同時(shí)對(duì)材料的熱膨脹起到了一定的補(bǔ)償作用[4]。但是在實(shí)際工況中彎頭通常是受力集中部位，且受力條件較復(fù)雜，使得管道部位承載能力相對(duì)直管段明顯下降，是發(fā)電機(jī)組管道系統(tǒng)中最易失效的部位之一[5，6]。為更深入和完整地弄清彎頭失效機(jī)理，避免同類失效事件重復(fù)發(fā)生，造成不必要的重大人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，材料的失效分析就顯得尤為重要。本文圍繞超臨界機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中再熱熱段90°彎頭開(kāi)裂的原因進(jìn)行了組織與性能研究，并分析了彎頭處的受力情況，以探明其發(fā)生失效的主要因素。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

某電廠600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組1號(hào)鍋爐為Π型布置，蒸發(fā)量為1 900 t/h，再熱熱段彎頭材質(zhì)為P91鋼，規(guī)格為φ682 mm×23.5 mm。再熱器出口蒸汽壓力為4.63 MPa，出口蒸汽溫度為569 ℃。該機(jī)組累計(jì)運(yùn)行51 381 h時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)高溫再熱出口管道90°彎頭外弧外壁出現(xiàn)多處裂紋，見(jiàn)圖1。在彎頭裂紋附近處取樣，經(jīng)分析化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1中同時(shí)列出了ASME SA-335《高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼公稱管》對(duì)P91鋼化學(xué)成分的要求范圍。從表1可以看出，開(kāi)裂的再熱熱段彎頭材質(zhì)化學(xué)成分符合P91鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 P91彎頭外弧表面裂紋及樣品切取位置示意圖

表1 開(kāi)裂彎頭P91鋼的化學(xué)成分%

為保護(hù)裂紋，采用線切割的方式首先從管壁截取200 mm×200 mm的矩形區(qū)域，然后平行于主裂紋截取60 mm×40 mm的矩形區(qū)域并將其分成3段以便觀察裂紋縱深方向擴(kuò)展方式，具體截取位置見(jiàn)圖1。樣品經(jīng)液氮深冷后，沿裂紋打開(kāi)，觀測(cè)斷口宏觀形貌。切取裂紋附近無(wú)損區(qū)域進(jìn)行室溫夏比沖擊功測(cè)試，沖擊試驗(yàn)在RT-450型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣采用標(biāo)準(zhǔn)夏比V型缺口，其尺寸為10×10×55 mm3。采用TIME TH320型洛氏硬度計(jì)對(duì)裂紋附近的樣品進(jìn)行硬度測(cè)量。

表面裂紋和縱向裂紋區(qū)域經(jīng)機(jī)械研磨并拋光后，采用維樂(lè)試劑（100 mL酒精、1 g苦味酸、5 mL鹽酸組成的混合腐蝕液）浸蝕腐刻，在Zeiss Axiovert 200MAT型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。利用Hitachi-3400N型掃描電子顯微鏡和能譜進(jìn)行裂紋試樣斷口、沖擊試樣斷口、微觀組織形貌以及析出相的觀察，析出相的尺寸用IPP（Image Pro-Plus）軟件統(tǒng)計(jì)。透射電鏡觀察樣品在裂紋附近未開(kāi)裂區(qū)域切取，樣品經(jīng)機(jī)械研磨至50 μm后，用10%高氯酸+90%冰醋酸混合溶液在-15 ℃左右下雙噴減薄，電壓為20 V。然后利用FEI Tecnai G20型透射電子顯微鏡進(jìn)行組織的微觀結(jié)構(gòu)特征及析出相的析出形態(tài)觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂紋宏觀形貌

圖2中裂紋產(chǎn)生在靠近外壁側(cè)，裂紋深度約5 mm，從裂紋寬度可以看出，裂紋靠近外壁寬，向內(nèi)逐漸變窄，表明裂紋正由外向內(nèi)擴(kuò)展。從打斷后的裂紋宏觀斷口可以看出，斷口上在靠近外壁的區(qū)域偏黑，容易理解，這是被高溫氧化所致，而遠(yuǎn)離外壁處斷面的色澤亮白則是比較“新鮮”的斷口，氧化程度并不嚴(yán)重，由此可以推斷，原始裂紋是在外壁形成并向內(nèi)逐步擴(kuò)展。

圖2 裂紋宏觀斷口形貌

2.2 裂紋微觀形貌

主裂紋和微裂紋的微觀擴(kuò)展形貌見(jiàn)圖3。光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步表明，主裂紋由外向內(nèi)的寬度逐漸變窄，內(nèi)部存在黑色氧化物，見(jiàn)圖3（a）、圖3（b），證實(shí)裂紋起裂部位在接近管壁的外表面。仔細(xì)觀察裂紋末端可以發(fā)現(xiàn)，主裂紋分支處存在多處二次裂紋，而且正在進(jìn)一步延伸和擴(kuò)展。

圖3 裂紋不同區(qū)域的金相形貌

為了進(jìn)一步研究裂紋附近處的組織特征，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)裂紋及其附近區(qū)域進(jìn)行了觀察，圖4是主裂紋剖面的組織形貌?？梢钥吹搅鸭y中幾乎填滿了氧化物，沿著裂紋擴(kuò)展方向，在裂紋附近區(qū)域存在大量黑色孔洞，如圖4（a）中箭頭所示；而且裂紋擴(kuò)展的邊緣存在大量的大尺寸析出相，如圖4（b）圓圈所示，裂紋有沿著粗大析出相和孔洞形成部位擴(kuò)展的跡象。P91鋼中大尺寸析出相經(jīng)二次電子模式和背散射模式下鑒別，分別是M23C6型碳化物和Laves相，見(jiàn)圖4（c）、圖4（d）。由于晶界處能量較高，析出相一般會(huì)優(yōu)先在晶界處形核析出長(zhǎng)大，尺寸較細(xì)小的析出相會(huì)起到釘扎晶界的作用，阻礙晶界的遷移。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，在晶界處的析出相會(huì)發(fā)生熟化，長(zhǎng)大后的析出相釘扎晶界的作用逐漸減弱，并且由于應(yīng)力集中的影響，使得這一部位極易萌生裂紋。

圖4 主裂紋縱向微觀SEM組織形貌

大量研究表明[7-15]，長(zhǎng)期服役的P91耐熱鋼微觀組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，在長(zhǎng)時(shí)高溫和應(yīng)力的作用下，組織會(huì)自發(fā)地由亞穩(wěn)態(tài)向能量最低的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變。馬氏體板條會(huì)發(fā)生合并、碎化并逐漸退化成等軸狀的亞晶，隨著老化程度的進(jìn)一步加深，亞晶合并長(zhǎng)大最終整個(gè)原奧氏體晶粒會(huì)轉(zhuǎn)變成鐵素體組織，這就使得在服役過(guò)程中材料的性能下降。為了進(jìn)一步確定裂紋是否由析出相的粗化而導(dǎo)致的性能下降引起的，對(duì)裂紋附近區(qū)域的微觀組織進(jìn)行了表征。圖5（a）、圖5（b）是裂紋附近處的金相組織形貌，顯示出了P91典型的回火馬氏體組織，圖5（c）、圖5（d）是材料在透射電子顯微鏡（TEM）下的形貌圖像，從圖中可以看出，盡管服役5萬(wàn)余h，其組織回復(fù)程度并不高，部分馬氏體板條并未明顯粗化，只有少部分馬氏體板條發(fā)生合并形成等軸狀亞晶。此外，在晶粒內(nèi)部還可以看到部分纏結(jié)的位錯(cuò)存在，馬氏體板條的組織回復(fù)程度較低，尚未發(fā)生明顯老化。由此可以推斷，服役51 381 h的P91耐熱鋼管屬于正常組織演變。

圖5 再熱彎頭裂紋附近的微觀組織形貌

2.3 力學(xué)性能

為了驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)服役P91耐熱鋼的正常組織演變特征，對(duì)裂紋附近區(qū)的硬度進(jìn)行了測(cè)試，圖6為主裂紋兩側(cè)垂直方向洛氏硬度分布。結(jié)果表明，硬度保持在HRC 23.6～25.8之間，硬度分布較均勻，并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的降低或升高現(xiàn)象。結(jié)合顯微組織分析，說(shuō)明管壁開(kāi)裂并不是由于材料老化使得其強(qiáng)度降低。

圖6 主裂紋附近硬度分布

值得注意的是，長(zhǎng)時(shí)高溫服役后的P91鋼會(huì)發(fā)生Laves相的熟化，造成沖擊韌性的大幅下降[7，14]。對(duì)裂紋附近無(wú)損部位的室溫夏比沖擊測(cè)試發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)服役的P91鋼沖擊吸收功下降為23 J，沖擊韌性發(fā)生了明顯的惡化。圖7為沖擊斷口形貌，宏觀斷口較平整，沒(méi)有明顯的韌性撕裂特征，微觀斷口中存在大量解理小臺(tái)階，屬于典型的準(zhǔn)解理斷裂，表現(xiàn)出了較低的沖擊吸收功。

圖7 沖擊斷口形貌

圖8是沖擊試樣遠(yuǎn)離斷口處的二次電子像和背散射像。可以發(fā)現(xiàn)，組織中界面及三叉晶界處存在大量的白色顆粒析出相，見(jiàn)圖8（a）。結(jié)合在背散射圖像中對(duì)應(yīng)的相同位置，可以看到明顯的亮白色顆粒，即Laves相。經(jīng)IPP（Image Pro-Plus）統(tǒng)計(jì)，大顆粒析出相的平均尺寸達(dá)到了790 nm，相比未服役的P91鋼，析出相發(fā)生了明顯的粗化。而且仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，析出相與基體界面處還存在一定數(shù)量的黑色孔洞，如圖8（b）中箭頭所示，部分已形成了初始的微小尺寸裂紋，如圖8（c）中箭頭所示?？梢?jiàn)，熟化的粗大析出相附近存在的顯微孔洞和顯微裂紋是導(dǎo)致其沖擊韌性大幅度降低的直接因素，而這一顯微組織失穩(wěn)特征并不是由顯微組織正常演變所導(dǎo)致的。眾所周知，材料在服役過(guò)程中受到其服役溫度、所受載荷和服役時(shí)間的影響。而針對(duì)本文所研究的P91鋼彎管，沿裂紋的顯微組織，顯微硬度差異均較小，排除了溫度這一影響因素，并且同一區(qū)域服役時(shí)間一致，所以影響其材料性質(zhì)的唯一因素即為所受載荷的差異，因此對(duì)彎管服役過(guò)程中的受力情況進(jìn)行了分析。

圖8 遠(yuǎn)離沖擊試樣斷口處的組織形貌

2.4 受力分析

電廠用彎頭是采用直管熱彎成形，根據(jù)設(shè)計(jì)之初的要求，彎管外側(cè)壁厚不得小于21.9 mm，與直管段不同，彎頭內(nèi)弧側(cè)由于受到壓應(yīng)力的作用使得內(nèi)弧側(cè)管壁增厚，而外弧側(cè)受到拉應(yīng)力的作用使得外弧側(cè)管壁減薄，從而造成彎頭沿管壁的應(yīng)力分布出現(xiàn)梯度。圖9為未服役前的P91再熱彎頭規(guī)格尺寸圖，再熱彎頭外壁的應(yīng)力計(jì)算見(jiàn)式（1）～式（5）[16]：

圖9 彎頭設(shè)計(jì)之初的尺寸

式中：

Pi——管道內(nèi)壓力；

R——彎頭軸線彎曲半徑；

r0——彎頭原始內(nèi)半徑；

D0——彎頭原始外直徑；

S0——彎頭原始壁厚度。

將彎管規(guī)格尺寸及水蒸氣內(nèi)壓力代入式（1）～式（5）中得出不同位置的計(jì)算應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，外壁外弧側(cè)所受應(yīng)力要遠(yuǎn)大于內(nèi)弧側(cè)，且處于外弧側(cè)相同位置的周向應(yīng)力也要比軸向應(yīng)力高33.46 MPa。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，水蒸氣內(nèi)壓力僅4.63 MPa時(shí)其周向應(yīng)力就能達(dá)到83.85 MPa，而在瞬態(tài)啟動(dòng)工況下其周向應(yīng)力還要大許多。相同服役條件（相同溫度、內(nèi)壓）下，彎管外側(cè)更高的周向應(yīng)力極易造成析出相與基體界面出現(xiàn)孔洞，增大顯微孔洞長(zhǎng)大風(fēng)險(xiǎn)。

表2 彎管外壁不同位置計(jì)算應(yīng)力

2.5 蠕變損傷

在高溫、一定載荷條件下所引起的損傷這一過(guò)程，可以看作是典型的蠕變損傷過(guò)程。為了驗(yàn)證這一推論，對(duì)主裂紋附近外壁表面在拋光條件下進(jìn)行了SEM觀察，見(jiàn)圖10。由圖10可見(jiàn)，主裂紋附近存在大量的蠕變孔洞，放大后發(fā)現(xiàn)這些孔洞呈蠕蟲狀或有尖銳的邊角，見(jiàn)圖10（b），這些孔洞會(huì)造成更大的應(yīng)力集中使彼此相互連接在一起形成微裂紋，加之在彎管外壁外弧側(cè)的周向由于承受的應(yīng)力較大，使得蠕變損傷程度相比于彎管其他位置（見(jiàn)圖8）更加嚴(yán)重。因此，在彎管外弧的側(cè)壁最先出現(xiàn)宏觀裂紋，造成材料失效。

圖10 彎管外壁裂紋附近的蠕變孔洞

3 結(jié)論

1）服役51 381 h的P91鋼熱彎頭組織中第二相發(fā)生熟化，其釘扎晶界能力下降，少部分馬氏體板條寬化形成亞晶。

2）粗化的M23C6和Laves相使得長(zhǎng)時(shí)服役P91鋼硬度仍維持在較高水平，但其沖擊韌性降低至23 J。

3）彎管外弧應(yīng)力顯著高于內(nèi)弧，高應(yīng)力導(dǎo)致外弧過(guò)早產(chǎn)生蠕變損傷并不斷積累，形成蠕變孔洞且逐漸聚集合并，最終在外弧表面應(yīng)力最大處產(chǎn)生蠕變裂紋，由外表面至內(nèi)部形成宏觀裂紋，造成P91熱彎頭過(guò)早失效。