1000MW二次再熱鍋爐HR3C材料應用性能研究

深能（河源）電力有限公司 王樞 深能合和電力（河源）有限公司 楊丹萍

1 引言

近年來，國內逐步建設高參數火電機組，由于超超臨界機組二次再熱鍋爐參數更高，再熱器出口氣溫能夠達到623℃，出口壓力能夠達到11.42MPa，且超超臨界二次再熱相對一次再熱機組熱效率能夠提高2%[1]，鍋爐的穩定運行對材料要求更高，因此，材料的性能退化及其對安全性的影響受到越來越多的關注。某電廠鍋爐一次再熱器及二次再熱器管排主要采用HR3C（型號為：SA-213TP310HCbN），該材料在國內二次再熱機組上使用時間較短，因此，對運行后材料的特性深入研究有利于材料選擇、安裝指導、維護檢修、運行操作，同時，對機組的穩定運行具有重要意義。該電廠某臺機組運行2100h，鍋爐二次高溫再熱器出現爆管，首爆口是二次再熱出口左數65屏4號管，規格Φ57×4mm，材質牌號SA-213TP310HCbN，對爆管及周邊管段取樣進行了材料性能分析，主要從化學成分、力學性能、金相組織及形貌照片等方面進行分析，并與正常運行管進行對比。

2 化學成分

該臺鍋爐爆管后，截取兩段取樣管，取樣1（爆管）及取樣2 周邊管利用牛津直讀式臺式光譜儀進行化學成分分析，化學成分滿足ASME 標準要求，化學成分結果如表1所示。

表1 化學成分結果（單位：wt/%)

3 力學性能

3.1 硬度測試

對取樣管2 進行硬度測試，載荷為5kg，硬度測試結果如圖1所示。不同部位硬度值均滿足標準要求，直管段硬度值較低，略高于標準下限。受加工硬化因素的影響，彎管區域硬度高管段。

圖1 硬度測試結果

3.2 沖擊測試

對取樣管2 進行沖擊試驗，試驗規格為10mm×2.5mm×55mm，沖擊開口類型為V 型，開口深度為2mm，采用150J 擺錘進行沖擊試驗，室溫沖擊試驗結果如表2所示，相關標準未規定沖擊吸收能量值要求，但沖擊值已不高于10J，可知其抵抗外力沖擊能力較弱。該管為薄壁管，并且其抵抗外力沖擊能力較弱。

表2 室溫沖擊試驗結果（單位：J）

3.3 拉伸測試

對取樣管2進行拉伸試驗，采用12.5mm寬剖條試樣，厚度為原始壁厚，標距為50mm，室溫拉伸試驗結果如表3所示，抗拉強度和屈服強度滿足標準要求，延伸率低于標準要求，該材料長期高溫運行后，塑韌性會降低[2]。

表3 室溫拉伸試驗結果

3.4 金相組織

取樣管2直管段金相組織照片如圖2所示。從圖2可以看出，取樣管2 直管部位金相組織為奧氏體組織，未觀察到孿晶組織，內外壁組織較均勻。取樣管2彎管段金相組織照片如圖3所示。從圖3可以看出，內弧部位外內壁處金相組織均為孿晶奧氏體，壁組織較為均勻，內弧外壁起弧呈波浪狀，孿晶比例高于內壁處，系形變導致。

圖2 取樣管2直管段金相組織

圖3 取樣管2彎管段金相組織

取樣管1直管段金相組織照片如圖4所示。從圖4可以看出，取樣管1 直管上端金相組織為奧氏體，晶粒度正常，內外壁組織較均勻。

圖4 取樣管1彎管金相組織

從圖4可以看出，取樣管1彎管上在靠近主裂紋的外壁側發現較多微裂紋（長0.1～0.3mm），微裂紋沿晶擴展，擴展方向與主裂紋平行，裂紋內存在氧化。取樣管1 彎管下在靠近主裂紋的外壁發現較多微裂紋（長0.1～0.6mm），微裂紋沿晶擴展，擴展方向與主裂紋平行。主裂紋沿晶開裂，晶粒度4～5 級，為典型脆性斷裂特征。從斷口宏觀形貌可以看出，斷口呈鋸齒狀擴展，從外壁向內壁擴展。主裂紋附近存在多處由外向內擴展的微裂紋，微裂紋擴展方向與主裂紋平行，最長為0.6mm，裂紋沿晶界擴展。

圖4 取樣管1直管金相組織

3.5 SEM分析

取樣管2彎管內弧奧氏體晶界上M23C6析出相呈鏈狀分布，晶界析出相的寬度約為0.5μm。相關研究表明，粗化的M23C6析出相寬度達1μm 以上，而彎管內弧晶界上M23C6析出相沒有發生明顯粗化，不會因此導致明顯的晶界貧Cr。

對原壁厚的小試樣進行錘擊，斷口為明顯的“冰糖狀”沿晶斷口，斷口沿晶SEM 照片如圖6所示。

圖6 斷口沿晶SEM照片

呈現出明顯的脆性斷裂特征，且斷口附近存在沿晶二次裂紋，室溫下該材料具有很大的脆性，與取樣管沖擊功不高于10J 相對應，是TP310HCbN材料典型的時效脆化特性。

4 結果與分析

試驗分析TP310HCbN 化學成分滿足標準，體現了目前材料制造工藝成熟。事故管及周邊管的硬度符合規范要求，但脆性明顯提高，符合該材料特性。

玉環電廠HR3C 管運行1年后，室溫拉伸抗拉強度約為750MPa，屈服強度為約500MPa，延伸率約為30%，明顯高于本文數據，但和原始管相比皆有下降，但兩個電廠測試數據方向相同。

Eddystone 電站HR3C 運行1年后，室溫沖擊韌性低于20J/cm2，研究發現HR3C 運行后脆性增加是由于G 相在晶界析出[3]。本文沖擊試驗沖擊值已不高于10J，抵抗外力沖擊能力較弱，彎管部位相對直管更差。從斷口電鏡試驗分析可知，斷口為明顯的“冰糖狀”沿晶斷口，為典型脆性斷裂特征，且存在沿晶二次裂紋，表明室溫下該材料具有很大脆性。HR3C經過10000h時效以后，沖擊韌性將達到穩定值，而不再下降[4]。

經過2000h 運行后對直管和彎管部位進行了金相組織分析，晶粒度、夾雜物滿足標準要求。直管部位金相組織為奧氏體組織，未觀察到孿晶組織，而彎管部位出現了部分孿晶，孿晶組織的比例與變形量密切相關。

SEM分析表明孿晶組織處析出彼此平行呈條棒狀的析出相，與晶界垂直，M23C6析出相的長度約為2～10μm，條棒狀M23C6析出相的析出，與晶界處M23C6析出相的粗化一樣，會消耗該區域晶界的Cr含量，造成晶界貧Cr，孿晶組織處的晶界抗腐蝕性能降低。

5 結語

TP310HCbN 鋼在超超臨界鍋爐中大量使用，說明該材料制造工藝成熟，化學性能分析也驗證了成分符合標準。但該材料經過長期高溫運行后，抵抗外力沖擊能力較弱、延伸率降低，塑韌性降低，具有脆化特性，使得該材料管道在鍋爐檢修時具有較高的要求，外壁機械損、碰撞以及在鍋爐安裝期間，需要對該材料管道對口時加強監管，不能強行對口，否則容易造成應力不能釋放，造成拉裂甚至導致爆管，需要加強金屬監督。通過金相分析可以看出形變導致彎管處金相組織產生孿晶組織比例高于內壁處。SEM分析可以看出，產生孿晶組織處的晶界抗腐蝕性能降低。因此，對該材料的加工工藝要求高。