分享：服役粗晶Super304H与TP347HFG钢管剩余寿命预测

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  国网安徽省电力有限公司 电力科学研究院，合肥 230601

Super304H（10Cr18Ni9NbCu3BN）钢与TP347HFG（08Cr18Ni11NbFG）钢均是在18Cr-9Ni奥氏体不锈钢的基础上进一步优化成分而开发出的新型细晶粒奥氏体耐热钢，主要用于超（超）临界机组高温再热器、过热器钢管，展现出良好的服役性能[1-3]。目前，国内多个超（超）临界机组的Super304H与TP347HFG钢管的服役时间已达十余年，烟气腐蚀、蒸汽氧化、异常晶粒长大及深度调峰下的局部超温等因素都会使钢管严重老化，力学性能衰减显著，甚至造成爆管等非正常停机事故[4-10]。因此，开展服役态Super304H与TP347HFG钢管运行状态评估及剩余寿命预测工作十分重要，能加强金属监督，保证机组的安全运行。 

现行的DL/T 940—2005《火力发电厂蒸汽管道寿命评估技术导则》标准推荐了几种火电机组在役蒸汽管道剩余寿命的评估方法，其中以等温线外推法和Larson-Miller参数（P函数）法最为常用。RAY等[11]和SWAMINATHAN等[12]开展了服役钢管的持久试验研究，建立了服役钢管持久强度与其P函数关系的数学模型，预测在役蒸汽管道的剩余寿命。该方法的缺点是需在在役高温受热面管道上切割取样，切割后的管道需要重新焊接，这导致管道的焊接接头数增多，费时费力，成本高，安全性降低，且采用外推法得到的管道持久强度精度有时也不高。因此，对于实际运行的超（超）临界火电机组而言，以上方法并不是最佳的评估方案。硬度是一种非破坏性的力学性能指标，硬度测试简便易行且可现场实施。服役（时效）火电机组耐热钢管的硬度变化取决于其显微组织结构的演变，通过建立时效耐热钢管的硬度-P函数关系数学模型，开展在役耐热钢管的运行状况评估及剩余寿命预测具有理论及工程应用的合理性[13]。该方法无需割管，耗时短，成本低，具有明显的优势。刘俊建等[14]对供货态Super304H耐热钢管进行了不同温度、时间的时效处理，基于硬度-P函数法，开展了在役细晶Super304H耐热钢管的剩余寿命预测。然而，笔者发现在役Super304H与TP347HFG再热器、过热器钢管均存在明显的径向显微组织结构不均匀，尤其是其外壁奥氏体晶粒异常长大（粗晶），导致组织老化加剧，力学性能衰减严重[15]，这必然会对在役钢管的运行状态产生不利的影响，因此，有必要针对粗晶Super304H与TP347HFG钢管开展服役寿命预测工作。迄今，该方面的研究工作少有报道。 

笔者采用供货态细晶Super304H与TP347HFG钢管预拉伸后固溶处理的方法获得粗晶试样，再进行等温时效，模拟高温服役时粗晶Super304H与TP347HFG钢管的组织老化状态，基于硬度-P函数法，开展在役粗晶Super304H与TP347HFG耐热钢管的剩余寿命预测，为超（超）临界火电机组的金属监督与安全维护提供技术支持。 

1.   试验材料和方法

试验材料为国产供货态Super304H与TP347HFG耐热钢管，规格分别为51 mm×9.5 mm（外径×壁厚，下同）及45 mm×4.5 mm。采用直读光谱仪对Super304H与TP347HFG耐热钢管进行化学成分分析，结果如表1，2所示。由表1，2可知：该两种钢管的化学成分均符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的要求[16]。 

Table  1.  Super304H钢管的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Mn	Si	Cr	S	P	Ni	Nb	N	Аl	B	Cu	Fe
实测值	0.08	0.66	0.2	18.3	0.004	0.017	8.72	0.52	0.1	0.008	0.005	3.02	余量

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Table  2.  TP347HFG钢管的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Nb	P	Cu	S	Fe
实测值	0.095	0.33	1.75	17.01	9.26	0.74	0.028	0.13	0.011	余量

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采用线切割的方法沿Super304H和TP347HFG供货态钢管的轴向取样，试样的形状及尺寸如图1所示。采用万能材料试验机对该试样进行伸长率为6%的预拉伸变形，然后将预变形试样放入箱式电阻炉中，分别在1 180 ℃保温20 min（Super304H钢试样）和10 min（TP347HFG钢试样）后取出，快速水冷，对试样进行固溶处理，从而得到平均奥氏体晶粒度为2级的粗晶试样。 

图  1  Super304H和TP347HFG钢室温拉伸试样的结构示意

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考虑到Super304H与TP347HFG钢管的服役温度不同，其时效温度分别设定为700 ℃（973 K）和650 ℃（923K），采用P函数来设定时效时间，如式（1）所示。 

式中：T、t分别为时效温度与时间；C为常数，对于奥氏体耐热钢，C=15[17-18]。 

在时效前后拉伸试样凸台间的工作段取样，用碳化硅砂纸研磨后抛光试样，再用浓盐酸、浓硝酸水溶液腐蚀试样，采用光学显微镜及扫描电子显微镜（SEM）观察试样，用能谱仪（EDS）测试第二相颗粒的成分。对不同时间高温时效后试样的两面进行研磨，根据GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，使用维氏硬度计测量粗晶Super304H和TP347HFG钢管试样的硬度，加载载荷为49 N，保压时间为10 s，每种试样测量5个值，取平均值。 

2.   试验结果与分析

2.1   显微组织

对供货态Super304H与TP347HFG钢试样进行预拉伸变形和固溶处理后，得到粗晶Super304H与TP347HFG钢试样。奥氏体晶粒明显长大，呈等轴晶状，晶粒度约为2级[见图2（a）, 3（a）]。一般地，当金属材料的退火温度低于其再结晶温度时，其晶粒度基本不变[19]。Super304H与TP347HFG钢均属于18Cr-9Ni型奥氏体不锈钢，其再结晶温度近似，约为850 ℃[20]，该温度高于文中Super304H与TP347HFG钢试样的时效温度。因此，在Super304H与TP347HFG钢试样进行高温时效时，奥氏体晶粒不会发生明显长大，仍保持2级晶粒度，但奥氏体晶内孪晶的密度逐渐减小，第二相颗粒析出明显，导致其显微组织持续老化（见图2~3）。 

图  2  不同时间时效Super304H钢试样的显微组织形貌

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图  3  不同时间时效TP347HFG钢试样的显微组织形貌

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不同时间时效Super304H、TP347HFG钢试样的SEM形貌如图4~5所示。图4~5中各位置的化学成分如表3所示。由图4可知：在未时效Super304H钢试样的奥氏体晶内、晶界处分布着较少的粗大初生MX相颗粒[21][见图4（a）中箭头1，表3中点1]，而奥氏体晶内、晶界中的第二相含量极少；在时效过程中，M23C6相颗粒在Super304H钢奥氏体晶界优先析出，分布状态逐渐由半连续状（链状）向连续状转变[见图4（b）,4（c），表3中点2]；同时，在奥氏体晶内还会析出细小而弥散的次生MX相颗粒[见图4（c），表3中点3]；当时效时间达到3 900 h时，基于Ostwald熟化机理，Super304H钢中的M23C6相颗粒聚集长大，并沿奥氏体晶界呈不连续粗大颗粒分布，造成奥氏体晶界明显宽化，对钢基体的割裂作用大大增强[见图4（d）]。 

图  4  不同时间时效Super304H钢试样的SEM形貌

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图  5  不同时间时效TP347HFG钢试样的SEM形貌

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Table  3.  图4~5中各位置的化学成分

检测位置	质量分数
	Nb	C	Fe	Cr	Ni	Mn
点1	81.00	15.30	3.70	—	—	—
点2	—	10.30	36.30	48.50	4.90	—
点3	27.40	7.70	45.20	15.70	4.00	—
点4	84.16	12.74	1.88	0.92	0.30	—
点5	62.10	11.20	16.60	7.90	1.70	1.90
点6	0.78	12.80	24.09	58.82	3.29	0.23
点7	0.77	11.49	19.62	64.67	3.06	0.39
点8	1.31	12.78	29.58	51.55	4.33	0.46

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未时效TP347HFG钢试样的奥氏体晶界、晶内的第二相颗粒很少，且大小不一致，EDS测试结果表明其均为MX相，包括大尺寸初生MX相颗粒和分布于奥氏体晶内的细小次生MX相颗粒[见图5（a），表3中点4, 5]。GOLA?SKI等[22]的研究表明，服役态TP347HFG耐热钢管中的M23C6相颗粒优先在奥氏体晶界、孪晶界和亚晶界析出，同时也会在奥氏体晶内析出。由图5（b）~5（d）可知：随着时效时间的延长，在TP347HFG钢试样晶界处持续析出M23C6相颗粒 (见表3中点6~8)，但其分布及尺寸呈现明显不同的特征。时效100 h后，奥氏体晶界M23C6相颗粒析出量少，尺寸小；时效500 h后，奥氏体晶界处的M23C6相颗粒析出量增多，并发生明显的合并长大；时效3 600 h后，试样晶界处的M23C6相颗粒十分粗大，弥散度大大降低，对钢基体的割裂作用显著增强。 

综上所述，在高温时效过程中，粗晶Super304H与TP347HFG钢试样中的初生、次生MX相颗粒均无明显变化，但其中M23C6相颗粒粗化与割裂奥氏体晶界效应逐渐增强，成为Super304H与TP347HFG钢长期服役显微组织老化的典型特征。高温时效过程中，Super304H与TP347HFG钢试样中第二相颗粒的显微结构变化必然对其硬度产生明显影响。 

2.2   硬度

Super304H和TP347HFG钢试样硬度随时效时间的变化曲线如图6~7所示，在时效初期，Super304H与TP347HFG钢试样的硬度均呈现先增大后减小的趋势。未时效Super304H与TP347HFG钢除了粗大的初生MX相块状颗粒外，其他第二相含量很少，且硬度小。随着时效时间的延长，沿奥氏体晶界析出细小的M23C6相颗粒，同时在奥氏体晶内析出细小的次生MX相颗粒，第二相弥散强化效应导致Super304H与TP347HFG钢的硬度显著增大，但在达到极大值后减小。这是因为，一方面，由于Cr、Nb、C等合金元素不断脱溶导致奥氏体钢基体中的合金元素含量减少，固溶强化效应减弱；另一方面，M23C6相颗粒粗化，数量减少，弥散强化效应减弱，对钢基体的割裂作用趋于严重。在随后的高温时效过程中，Super304H与TP347HFG钢试样显微组织的变化进入稳定期，硬度缓慢增大。当Super304H与TP347HFG钢试样分别时效3 400 h及2 500 h后，M23C6相颗粒的过度析出、粗化导致其硬度快速单调减小，进入老化衰减期。 

图  6  Super304H钢试样硬度随时效时间的变化曲线

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图  7  TP347HFG钢试样硬度随时效时间的变化曲线

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2.3   剩余寿命预测

硬度是一个具有组织敏感性的力学性能指标。长期服役Super304H、TP347HFG耐热钢管中的奥氏体晶粒长大及第二相颗粒的析出、粗化导致其硬度持续减小。MUKHOPADHYAY等[23]的研究表明，在一定应力σ条件下，服役态耐热钢管的硬度与其P函数之间存在如下关系 

式中：A1,A2,A3,B1,B2,B3均为材料常数；HV为硬度。 

因此，当σ一定时，A(σ)和B(σ)也均为常数，服役态耐热钢管的硬度与P函数间存在线性关系。按GB/T 5310—2017的要求，Super304H、TP347HFG耐热钢管的硬度最小值要求为160 HV，据此，根据式（1）确定相应的P函数值，从而推算耐热钢管的服役寿命。 

参照图6~7，对于粗晶Super304H、TP347HFG耐热钢管而言，分别在700 ℃时效3 400 h以及650 ℃时效2 500 h后的硬度减小P函数区间再补充多个时效时间试样，从而得到更多的不同P函数下的粗晶耐热钢管硬度，在硬度-P函数坐标平面内进行线性拟合处理，如图8~9所示，从而得到Super304H钢的硬度-P函数关系如式（5）所示，TP347HFG钢的硬度-P函数关系如式（6）所示。 

图  8  时效Super304H钢试样硬度-P函数关系的线性拟合

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图  9  时效TP347HFG钢试样硬度-P函数关系的线性拟合

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试验测得650 ℃（外壁温度）服役40 000 h （P=18 095）、53 000 h （P=18 205）的Super304H钢管粗晶区硬度分别为190 HV和184 HV[24]，600 ℃服役50 000 h （P=17 197）的TP347HFG钢管粗晶硬度为173 HV，且基于式（5）、（6）计算得到相同P函数下Super304H钢试样的硬度分别为193 HV和181 HV，TP347HFG钢试样的硬度为168 HV，两者十分接近。可见，采用所得硬度-P函数关系式用于超（超）临界机组中粗晶Super304H、TP347HFG耐热钢管的剩余寿命预测具有较高的准确性。 

随着服役过程的进行，Super304H、TP347HFG耐热钢管中第二相颗粒继续析出、粗化，导致其硬度持续下降，当其下降至临界值（160 HV）以下，可判定该耐热钢管失效。根据式（5）计算，Super304H钢的临界P函数P=18 408。将其代入式（1），从而得到Super304H耐热钢管的临界服役时间tc为 

对于Super304H耐热钢管，其剩余寿命tr为 

从而得到可用于预测Super304H耐热钢管tr的数学模型为 

同样地，也可以得到可用于预测TP347HFG耐热钢管tr的数学模型，如式（10）所示。 

基于式（9）、（10），采用室温硬度测试结果可预测服役粗晶Super304H、TP347HFG耐热钢管的剩余寿命，从而及时、准确地对该服役运行状态进行评估，为火电机组的安全、可靠运行提供技术支持。 

3.   结论

（1）对供货态Super304H、TP347HFG钢试样进行预拉伸变形和固溶处理后，所得粗晶试样的平均晶粒度为2级。高温时效过程中，粗晶Super304H、TP347HFG钢奥氏体晶粒尺寸基本保持不变，但M23C6相颗粒持续析出并变得粗大，导致奥氏体晶界宽化，对钢基体产生严重的割裂作用。 

（2）粗晶Super304H、TP347HFG钢管的硬度在时效初期先增大后减小，随后该钢管显微组织的变化进入稳定期，硬度缓慢增大；在时效后期，M23C6相颗粒的过度析出、粗化导致其硬度快速单调减小。 

（3）基于硬度-P函数法得到预测粗晶Super304H、TP347HFG耐热钢管的剩余服役寿命的数学模型，为服役奥氏体钢管的运行状态评估提供了新的途径

来源--材料与测试网