超超临界锅炉管用T92P92钢研究进展.pdf

超超临界锅炉管用 T 9 2 P 9 2钢研究进展 郭晓峰。 巩建鸣， 姜勇 ( 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京2 1 0 0 0 9 ) 摘要： 2 P 9 2钢凭借优异的综合性能， 现 已成为超超临界机 组锅炉主蒸汽管道的主要用钢。综 述 了近期国内外学者对 T 9 2 P 9 2钢 的研 究概况 ， 重点总结 了材料 的原始组织状 态、 蠕 变或 时效过 程中的相变过程、 材料强化机理、 蠕变寿命预测及长时蠕变强度过早降低的原因， 并对今后该领域 的一些研究工作进行 了展望。 关键词： T 9 2 P 9 2钢 ； 超超临界 ； 微观结构 ； 蠕变强度 中图分类号： T G1 4 2 4 1 ； T K 2 2 9 2 文献标识码： B 文章编号： 1 0 0 1 4 8 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 5 5 0 7 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 1 0 5 0 0 9 Re s e a r c h Ad v a nc e s o f T9 2 P9 2 S t e e l f o r Bo i l e r Pi pe s 0 f USC Po we r Pl a n t s GUO Xi a of e n g，GONG J i a nmi n g，J I ANG Yo n g ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e ri n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T 9 2 P 9 2 s t e e l ， w h i c h p o s s e s s e s e x c e l l e n t h i g h t e mp e r a t u r e c o mb i n a t i o n p r o p e r t i e s ， h a s b e c a me t h e m a i n l y c a n d i d a t e a l l o y s f o r U l t r a S u p e r c r i t i c a l P l a n t s ( U S C) I n t h i s p a p e r ， r e s e a r c h d e v e l o p me n t s o f t h e P 9 2 s t e e l a r o u n d t h e wo r l d are r e v i e w e d，i n c l u d i n g t h e mi c r o s t r u c t u r e，e v alu a t i o n o f p r e c i p i t a t e s d u r - i n g a g i n g o r c r e e pe x p o s u r e ，s t r e n g t h e n i n g me c h a n i s ms ， c r e e p l i f e p r e d i c t i o n a n d c a u s e s o f b r e a k d o w n o f c r e e p s t r e n gth I t s s t u d y d i r e c t i o n i n t h e f u t u r e i s als o l o o k e d a h e a d K e y w o r d s ： T 9 2 P 9 2 s t e e l ； U l t r a S u p e r c r i t i c al ( U S C ) ； m i c r o s t r u c t u r e ； c r e e p s t r e n gt h 0引言 自2 0 世纪 8 0年代现代超超临界火力发电机 组问世以来， 超超临界设备已在日本、 德国、 丹麦 等国家大批投产使用。随着人类向2 1 世纪的迈 进， 节能和环保已经成为现代工业发展的两大主 题。世界各国纷纷采用提高蒸汽参数的方法来提 升火力发电机组的热效率 。超超临界苛刻的 蒸汽参数需要铁素体耐热钢具有良好的力学性能 和抗氧化特性 ， 这就使得新型高 c r 钢的研发成为 发展超超临界机组 的关键环节。在过去的二三十 年中， 美 国、 日本 、 欧洲投入了大量人力物力用于 9 一1 2 C r 钢 的研发 ， 应用较 为广泛 的有美 国 橡树岭国家研究所研发的I 9 1 ( 小径管) P 9 1 ( 大 径管) 钢、 日本新 日铁公司研发的 2 P 9 2钢和 欧洲 C O S T 5 0 1 项目 研制的E g l 1 钢等 。目前 作为9 一 1 2 C r 铁素体耐热钢的代表钢种， P 9 2 钢凭借优异的综合性能逐渐成为超高参数的超超 临界机组的理想用钢 J 。 5 5 C P V T 超超临界锅炉管用 T 9 2 1 ： 9 2钢研究进展 V o 1 2 8 N o 5 2 0 1 1 1 T 9 2 P 9 2钢微观结构变化 为了提高铁素体耐热钢的蠕变强度， P 9 2钢 在 P 9 1 钢成分 的基础上加入 w 代替部分 Mo ， 形 成 以 w 为主的 W M o复合 固溶强化 ； 同时加入 微量 B主要用 来提 高晶界 的强度。A S T M A 3 3 5 标准 中规定 的材料化学成分见表 1 ， 该钢种热 处理通常采用正火加 回火 ， 组织为回火马氏体 ， 板 条内有高密度位错， 并在原奥氏体晶界、 亚晶界以 及马氏体板条 内均存在沉淀强化相， 主要包括 M c 碳化物、 M X碳氮化物。 表 1 T 9 2 P 9 2钢的化学成分 钢种 参数 C Mn P S S i C r W Mo V N b N B N i A l Mi n 0 o 7 0 3 0 _ 8 5 O 1 5 0 0 3 O O 1 5 0 0 4 O 0 3 0 0 0 1 _ 一 P 9 2 Ma x 0 1 3 0 6 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 5 0 9 5 O 2 0 0 0 6 O O 2 5 0 0 9 0 0 7 O 0 o 6 0 4 0 0 04 服役过程 中P 9 2的微观组织和沉淀强化相将 逐步发生演变 J 。材料的微观组织会 出现 明显 的回复， 马氏体板条宽度增加， 位错密度减小， 并 逐步出现 M 。 C 碳化物 、 M X碳氮化物 的聚集 、 粗 化及 L a v e s相 的析 出。同时 ， 长时服役会 析 出 z 相。 M c 碳化物在回火过程中很快沿原奥氏体 晶界和亚晶界等界 面处析 出， 主要组成元素包括 C r ( 5 0 以上) ， F e ， W， M o 等。短棒状的 M 2 3 c 6 在 晶界通过钉扎作用阻碍位错的运动， 提高了 P 9 2 钢的蠕变强度。彭志方等 叫对 P 9 2钢在 8 9 8 K， 1 1 01 8 0 MP a下 进行 了不 同时间 的持 久试 验。 在整个试验应力段 内， 虽然 M C 中 C r ， W， Mo等 元素的含量分段按不同规律变化， 但随着试验应 力 的减小及断裂时间的延 长 ， C r 和 Mo含量连续 递增 ， 而 w 含量连续 递减。M H a t t e s t r a n d等 对 P 9 2长时时效试验研究表明， M c 在 9 2 3 K下 的粗化速率比 8 7 3 K快得 多 ， 且 B在 MC 中的 富集会 阻碍碳化物的粗化 和位错结构 的恢复 ， 对 晶界有强化作用 。 P 9 2钢中， MX相( M=N b ， V， C r ， X=C， N) 主 要是 V， N b富集 的碳氮化物 ， 由于 MX相 细小且 粗化速率较慢， 其对材料蠕变破断强度的保持起 着关键作用。K S a w a d a 等 采用时效试验对 M X沉淀物的稳定性进行了系统的研究， 结果表 明， 随着时效时间的增加， M X相长大， 并且尺寸 大小分布 曲线变得更宽 ， 9 2 31 0 2 3 K不 同时效 时间下 MX粒子平均直径变化如 图 1所示。M H a t t e s t r a n d等 1 在 8 7 3和9 2 3 K进行的时效和蠕 变对比试验中， 并未发现应力或应变对 V N的粗 化有明显影 响； 应变只是加速 了 M C 碳 化物 的 5 6 粗化。 4 0 童 * 舆 2 0 1 0 o 1 0 0 o 时间m 图 1 M X平均直径随时效时间的变化 L a v e s 相 ( F e ， C r ) ： ( W，M o ) 是一种由 F e ， C r ， W， Mo等合金元素形成的金属 问化合物 ， 在 P 9 2 钢中Lav e s 相主要析出于原奥氏体晶界和亚晶界 等界面处， 与 M ， c 碳化物的析出位置相同 1 0 J 。 该相的形成不仅消耗 了 M c 碳 化物 中的 w， 使 M c 中 w含量降低， 而且消耗了基体 中的 w， M o ， 造成 固溶强化作用的下 降。J a e S e u n g L e e 等 副 在 8 7 3和9 2 3 K蠕变试验研究的基础上， 认 为蠕变孔洞 的形成与 L a v e s 相析出密切相关。由 于 Lav e s 相的粗化 速率 较快 ， 随着 时效 时间 的延 长， 颗粒会出现明显的聚集和粗化， 当其长大到一 定尺寸后容易诱发蠕变孑 L 洞的形核。 z 相 C r ( V ， N b ) N主要由 C r ， V ， N b ， F e 等元 素组成， 由于 z相的析出将消耗弥散分布的 M X 第 2 8 卷第 5期 压 力 容 器 总第 2 2 2期 碳氮化物， 对 P 9 2的蠕变破断强度影响很大， 因此 关于Z相的研究成为近年来国内外关注的焦点。 1 9 2钢中 z相的平均金属成分 为 V( 3 4 8 ) ， C r ( 4 4 2 ) ， N b ( 1 6 3 ) ， F e ( 4 7 ) ， 大多数 z相 在原奥氏体晶界和板条束界面附近出现， 通过蠕 变试样夹持端和标距内的粒子平均直径的比较， 可以看出应力或应变对 z相沉淀起加速作用 。 K S a w a d a等在 7 7 39 7 3 K下 系统 的研究 了 T 9 1 ， T 9 2 ， T 1 2 2钢 z相的沉淀行为， 并根据蠕变试 验结果绘制时间一温度一沉淀( T i m e T e m p e r a - t u r eP r e c i p i t a t i o n( T T P)d i a g r a m s ) 图 ， 如 图 2所 示H 。图中 T 9 2钢在 8 2 3 9 7 3 K温度范围内可 以观察到 z相， 其最先在蠕变 4 0 0 0 h后开始形 核， 此时的鼻尖形核温度为9 2 3 K 。 螽 sso 1 0 l 0 0 o 时间m 图2 T 9 2中Z相的 兀P图 图 3示 出 3 9 1 ， I 9 2 ， T 1 2 2钢 的 T r P图， 可 以 发现， 3 9 1 与3 9 2 钢的 r r P图相似， T 9 1 在 8 2 3 9 2 3 K下可 以析出 z相。虽然 T 1 2 2钢中 z相 的 鼻尖温度依然是 9 2 3 K ， 但是 T r P图转向了更低 的时间段。这与材料 中 C r 含量 有关 ， C r 的含量 越高， z相越容易 出现。对 于 6 0 0以上 P 9 2钢 比 P 1 2 2钢蠕变破 断强度更加稳定 的试验结果 ， M Y o s h i z a w a