维普资讯 http://www.cqvip.com Ｔ ９ １钢长期运行过程 中微观组织老化研究 史志刚 ，侯安柱 ，李益民 （１．西安热工研究院有限公司，陕西西安 ７１００３２；２．渭河发电有限公司，陕西成阳 ７１ ２０８５） ［摘 要］ 对两个电厂锅炉的Ｔ９１钢制高温过热器和中温再热器管运行后微观组织的老化进行了试验研 究。结果表明：光学显微镜下，难以观察到材料微观组织的老化特征；在透射电镜下，可明显观察到材料微 观组织老化的精细结构；运行时间短的中温再热器管的微观组织老化较运行时间长的高温过热器管严重。 ［关键词］Ｔ９１钢；高温过热器管；中温再热器管；微观组织老化；寿命评估 ［中图分类号－］ＴＯ１３ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００２—３３６４（２００６）０４—００５４—０５ 高温过热器、高温再热器管是电站锅炉的重要部 件之一，因长期在高温、高压下服役，管子的微观组织 会随着运行时间的延长而老化，进而引起材料高温强 度的劣化ｌｌ ］。Ｔ９１（９ＣｒｌＭｏＶＮｂ）作为一种新型的锅 再热器，管子规格为ｄ６３ ｍｍ×４ ｍｍ。再热器管入口 汽温和烟温分别为３７６℃和１ ｏ１ ５℃；高温再热器管 出口汽温为５４１℃，运行时间６ ７３４ ｈ，取样管为４段不 同管排的外圈下弯头（其中１段鼓包）和１段原始管。 过热器管和再热器管的化学成分见表１。 将管样沿横截面制成环状金相试样，向火侧横截 面制成透射薄膜试样，分别在ＯＩ ＹＭＰＵＳ ＧＸ７１型光 学显微镜和ＪＥＭ ２００ＣＸ型透射电镜（ＴＥＭ）下进行微 观组织观察，并用ＪＥＭ ２０１０型ＴＥＭ上的ＥＤＳ能谱 仪对沉淀相成分进行定量分析。 炉高温过热器、高温再热器用钢，在我国已有十余年的 使用历史，有些已经运行近１０万ｈ。研究和了解Ｔ９１ 钢在长期运行过程中材料的损伤，对保证Ｔ９１钢管的 安全运行具有重要的理论与实践意义。 本文对不同服役条件和运行时间的Ｔ９１钢管的 微观组织进行了试验研究，分析Ｔ９１钢在长期运行过 程中的微观组织变化规律，以期为Ｔ９１钢管的蠕变损 伤状态评估和寿命评估提供必要的技术依据。 ２试验结果 ２．１ 金相组织 １试验材料与方法 过热器管取自Ａ电厂３００ Ｍｗ机组１ Ｏ２５ ｔ／ｈ亚 （１）图１（ａ）和（ｂ）分别显示了Ｔ９１过热器和再热 器原始管的金相组织。由图１可见，在光学显微镜下 临界自然循环锅炉的高温过热器，管子规格为ｄ５４ ｍｍ×９ ｍｍ。过热器管出口压力和 难以观察到过热器原始管的马氏体形貌，可见原奥氏 表１ 管样的化学成分 温度分别为１ ７．２ ＭＰａ和５４０℃，运 行时间７５ ７８７ ｈ。样管为不同管排的 第二圈管子距下弯头起弧点向上 ７００ ｍｍ、长度９００ ｍｍ的４段管子和 １段原始管。再热器管取自Ｂ电厂 ３００ Ｍｗ机组１ ０６９ ｔ／ｈ锅炉的中温 收稿日期：２００５—０６—２０ 作者简介：史志刚（１９８０一），男，河南开封人，硕士研究生，研究方向为电站金属材料强度和寿命评估。 ＠匦 维普资讯 http://www.cqvip.com （ａ）过热器管 （ｂ）再热器管 图ｌ 原始管的光学金相组织 ｔ ａ）ｒｕ】火侧 （ｂ）背火侧 图２过热器运行管的光学金相组织 体晶界，在晶界和晶粒内分布着细小弥散的沉淀相；再 热器原始管的金相组织可见由板条束和板条块组成的 回火马氏体组织，晶粒内有细小弥散沉淀相分布，晶界 上也有沉淀相分布。 （２）图２和图３分别为运行７５ ７８７ ｈ的过热器管和 运行６ ３７４ ｈ的再热器管的金相组织。由图２可见，在 光学显微镜下难以观察到过热器管的板条马氏体形貌， 晶界和晶内上的沉淀相颗粒稍有长大。由图３可见，再 热器管背火侧的金相组织局部区域残留板条和块状马 氏体形貌，其向火侧的金相组织与过热器管相似。 （Ｃ）向火删 ｔ ｄ）背火侧 图３再热器运行管的光学金相组织 ２．２ ＴＥＭ观察 （１）对过热器和再热器原始管的ＴＥＭ观察（图 ４）表明，原始管的组织为板条马氏体，由惯习面相同且 相互平行的马氏体板条群集在一起组成，在板条马氏 体内存在大量位错，有的位错缠结在一起而成位错胞， 原奥氏体晶界、板条界和晶内均有弥散细小沉淀相，但 晶内的沉淀相更加细小均匀。过热器管和再热器管相 比，前者的板条宽度略小于后者。 （２）图５和图６分别为过热器管和再热器管的 ＴＥＭ组织形态。由图５可见，过热器管组织中的马氏 匮 基 囝 维普资讯 http://www.cqvip.com （ａ）过热器管 （ｂ）再热器镐 图４原始管ＴＥＭ组织形态 （ａ）亚晶粒和品界上的沉淀相 （ｂ）晶界上的沉淀ｌ抖１和减小的位错密度 图５过热器运行管的ＴＥＭ组织形态 ＠匾 囹 体板条特征消失，位错密度明显减小，出现亚晶粒并发 生粗化，原奥氏体晶界和亚晶界上的沉淀相粒子数量 增多，尺寸变大，晶内的沉淀相粒子尺寸无明显变化。 由图６可见，再热器管组织中的原奥氏体晶界和亚晶 界上析出的沉淀相的量较多，局部呈串链状，出现亚晶 粒并粗化，晶粒内较干净，位错密度明显减小。 （ａ）原奥氏体晶界及沉淀舸｛ （ｂ）亚晶形貌 图６再热器运行管的ＴＥＭ组织形态 ２．３ 能谱仪（ＥＤＳ）分析 图７为过热器的原始管和运行管及再热器的运行 管的沉淀相能谱图。由图７可见，过热器原始管中的 沉淀相是Ｍ 。Ｃ ，而过热器和再热器运行管中的沉淀 相除了Ｍ 。Ｃ ，还出现了Ｉ ａｙｅｓ相。对于过热器原始 管，可观察到Ｍ 。Ｃ 碳化物沿原奥氏体晶界和马氏体 板条界析出。能谱分析Ｍ 。Ｃ 成分为４８ Ｆｅ、３９ Ｃｒ、４ Ｍｏ、８ Ｃ、０．５ Ｖ和０．６ Ｍｎ。可见，Ｍ 。Ｃ 中的Ｍ主要为Ｆｅ、Ｃｒ和Ｍｏ元素，也含有少量杂质元 素。Ｔ９１钢管运行后，有新的沉淀相即Ｌａｖｅｓ相析出， 能谱分析过热器运行管中Ｉ ａｙｅｓ相的成分为４４ Ｆｅ、 ７ Ｃｒ、４４ Ｍｏ、４ Ｓｉ、１ Ｍｎ和３ Ｃｕ，再热器运行 管中Ｉ ａｙｅｓ相的成分为５４ Ｆｅ、１Ｏ Ｃｒ、３３ Ｍｏ、３ 维普资讯 http://www.cqvip.com Ｓｉ和１ Ｍｎ，可见，Ｌａｖｅｓ相的主要成分为Ｆｅ、Ｃｒ和 Ｍｏ，同样也含有少量杂质元素。 ５ １０ １５ 图８再热器鼓包管向火侧光学金相组织 （ａ）过热器原始管 ５ １０ １５ （ｂ）过热器运行管 图９再热器鼓包管ＴＥＭ组织形态 ３分析与讨论 （１）Ｔ９１钢是在Ｔ９的基础上添加Ｖ、Ｎｂ，并降低 了碳含量。由表１可见，Ｃｒ、Ｍｏ元素的加入主要是强 化固溶体，通过提高再结晶温度来提高强度，加入Ｖ、 Ｎｂ强碳化物形成元素形成的碳化物起到了沉淀强化 （ｃ）再热器运行钙： 的作用。另外，加入Ｖ、Ｎｂ元素和降低碳含量均有利 图７管样沉淀相能谱图 于材料的焊接，加入Ｃｒ、Ｓｉ有利于抗氧化性能的提高。 （２）Ｔ９１钢经过１ ０４０℃～１ ０８０℃正火和７５０℃ ２．４再热器鼓包管微观组织变化 ～７８０℃回火后供货态的金相组织一般为回火马氏 Ｂ电厂中温再热器管在运行６ ３７４ ｈ时发生１处爆 体，在晶界和晶内分布着少量细小弥散的沉淀相粒 漏，多处鼓包，且均发生在中温再热器外圈下弯头部位。 子 ］。Ｔ９１钢在长期高温运行过程中会发生马氏体的 对其中一鼓包管进行光学显微镜和ＴＥＭ观察，由金相 分解，位错密度下降，亚晶形成及粗化，沉淀相粗化及 组织和ＴＥＭ组织形态（图８、图９）可见，马氏体全部分 Ｉ ａｙｅｓ相的析出＿４］。 解，已无板条形貌，大量沉淀相粒子在晶界聚集，尺寸较 （３）通常，在光学显微镜下观察低合金耐热钢（如 大、严重粗化，发生回复再结晶。无论是光学显微镜观 １２ＣｒｌＭｏＶ、１０ＣｒＭｏ９１０、１５ＣｒＭｏ等）的微观组织的变 察还是ＴＥＭ观察都发现微观组织老化严重。 化，主要表现为珠光体的分散和珠光体中碳化物粒子 的聚集、长大和向晶界的迁移、出现双晶界现象等。但 在光学显微镜下难以观察到Ｔ９１钢微观组织的老化 Ｉ热力发电・２００６（０４）Ｉ囝 维普资讯 http://www.cqvip.com 程度，其马氏体形貌不很清晰，且很难分辨马氏体的分 解，更无法观察到位错密度的变化、亚结构的形成；只 ６ ３７４ ｈ的中温再热器管的Ｔ９１钢的微观组织试验与 分析，可得出在光学显微镜下，难以观察到Ｔ９１钢制 过热器和再热器运行后的微观组织老化特征，但在 ＴＥＭ下可清楚地观察到Ｔ９１钢微观组织老化的精细 结构；运行时间短的中温再热器管的微观组织老化较 有在微观组织损伤十分严重时（如鼓包或爆口附近）， 才可清楚观察到微观组织的老化（图８）。 （４）在ＴＥＭ下可清楚地观察到Ｔ９１钢的原始管 和运行管微观组织的精细结构，与原始管相比，长期运 行后的Ｔ９１钢的精细结构发生了较大的变化，主要表 运行时间长的高温过热器管严重，其主要原因是中温 再热器管的运行温度高于高温过热器管。 ［参 考 文 献］ ［１］ 涂善东．高温结构完整性原理［Ｍ］．科学出版社，２００３． ［２］杨宜科，吴天禄，姜先美．等．金属高温强度及实验［Ｍ］． 上海科学技术出版社，１９８６． 现在马氏体的分解、回复和再结晶（图５、图６），亚晶粒 的形成和粗化，晶界沉淀相粒子的数量增多、尺寸变 大。其结果可为进一步判断管材的微观组织老化程度 和剩余寿命评估提供依据。 （５）马氏体板条界上的位错通过滑移与攀移而相 消，使位错密度下降，部分板条界消失，相邻板条合并 成宽的板条，剩下的位错将重新排列形成位错缠结，逐 渐转化为胞块。随后，一些位错密度低的胞块长成等 Ｅ３２ Ｋ．Ｈａａｒｍａｎｎ，Ｊ．Ｃ．Ｖａｉｌａｎｔ，Ｂ．Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇｈｅ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ Ｂｏｏｋ Ｔ９１／Ｐ９１Ｉ Ｍ Ｉ．２００２． Ｅ４］Ａ．Ｓｒａｎｇ，Ｖ．Ｖｏｄａｒｅｋ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｖｅｒｉ ｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｎｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ Ｃｒｅｅｐ 轴状晶粒，板条特征完全消失。在原奥氏体晶界和亚 晶界上逐渐析出沉淀相粒子，并逐渐聚集长大，有些在 原奥氏体晶界上明显地聚集成为链状，晶界沉淀相的 聚集粗化使材料的晶界弱化，材料脆性增加 ］。 （６）比较运行７５ ７８７ ｈ过热器管和运行６ ３７４ ｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ １ ２ＣｒＭｏＶＮｂ ＳｔｅｅｌｓＥＣ］．Ｐａｒｓｏｎ ２０００ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ２ １ ｔｈ Ｃｅｎｔｕｒｙ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ． ５７２—５８９． ［５］ １３０ ０００ ｈ运行后Ｔ９１的评定（译文）［ｃ］．电站及锅炉用 新钢种焊接论文集，２０００． ｒ６］Ｂ．Ｈ．Ｓｅｎｃｅｒ。Ｆ．Ａ．Ｇａｒｎｅｒ，Ｄ．Ｓ．Ｇｅｌｌｅｓ ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ９Ｃｒ＿１ Ｍｏ ｆｅｒｒｉｔｉｃ／ｍａｒｔｅｎ ｓｉｔｉｃ ｓｔｅｅｌ ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｍｉｘｅｄ ｈｉｇｈ—ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｔｏｎ ａｎｄ 再热器管的微观组织，可见运行时间短的中温再热器 管的微观组织老化反而比运行时间长的高温过热器管 严重，这主要是中温再热器管的运行温度高于高温过 热器管，由再热器管子内壁氧化层厚度估算的最高金 属温度为６２３℃，而过热器管子的最高金属温度为 ６０６℃。另外，中温再热器微观组织老化严重也与不 ｎｅｕｔｒｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｔ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕ ｃｌｅａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ３０７ ３１１（２００２）２６６—２７１． ｒ７］ Ａ．（）ｒｌｏｖｄ，Ｊ．Ｂｕｒｇｉｋ，Ｋ．Ｋｕｅｈａｒｏｖｄ ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒ— ａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｒｅｅｐ ｏｆ ９ Ｃｒ 同管屏、不同管圈之间的温度分布不均有关。 ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．１ ９９８．Ａ２４５： ３９ ４８． ４ 结 语 通过对运行７５ ７８７ ｈ的高温过热器管和运行 驴 驴 驴 （上接第５３页） 捞机可全天候工作，打捞漂珠效率达９５ 以上，并对 原除灰系统无任何影响，各项性能指标均达到了设计 要求，投入使用运行良好。 求。该部件主要由螺杆、导螺母、滑道组成。螺母座与 回转臂固定，滑道下部与打捞机铰链构成了曲柄摇块 机构。旋转螺杆可调节打捞机械的上下位置，以调整 刮取池内漂珠的厚度。当打捞机不工作时，可旋转螺 杆将打捞机提出水面，以减少回转臂的运行阻力。 漂珠自动打捞机的研制成功解决了电厂漂珠回收 的难题，对电厂除灰、环境保护、漂珠的回收利用起到 了积极的作用。 ３ 实际效果 实验室试验和现场工业性试验证明：（１）打捞机的 ［参 考 文 献］ ［１］ 邬汉骐．水力旋流器分选人造材料空心玻璃微珠的探讨 ［Ｊ］．矿山技术，１９９０，（６）：４０ ４３． ［２］ 张金明．从粉煤灰中回收碳粉和漂珠的生产实践［Ｊ］．中 国电、ｌ ，１９９２，１０（５）：４１—４４． 性能稳定，刚性好，体积小，重量轻（仅７５０ ｋｇ）；（２）打 ＠匾互