T/P92耐热钢研究进展

来源:广东电网公司电力科学研究院作者:聂铭

从材料的微观组织结构、析出相的演变规律、蠕变性能与组织的关系及蠕变寿命评估等方面分析和总结了超超临界锅炉用钢T/P92的研究进展,并对今后的发展方向进行了简要分析。

20世纪80年代现代超超临界火力发电机组问世后,超超临界设备已在日本、德国、丹麦等国家大批投产使用。90年代初期日本和欧洲就开始批量建设,2005年日本就建成100台超临界和超超临界机组。截止到现在,世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台。随着蒸汽温度和压力的提高,电厂的效率大幅度提高,供电煤耗大幅度下降,这将有利于解决火力发电行业面临的节能降耗、减少污染的问题发展超临界和超超临界火电机组是提高机组热效率、降低CO2排放量的有效手段。表1给出了蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系。然而,超超临界较高的运行参数(温度、压力)需求对电站锅炉用钢提出了更高的要求。

T/P92钢就是20世纪90年代由日本新日铁公司在T/P91的基础上通过增加W含量至1.8%,减少Mo含量至0.5%而研发产生的,使其蠕变断裂强度和使用温度进一步提高,且比奥氏体耐热钢具有低的热膨胀系数,低成本的优势和优异的综合性能而成为新一代超超临界电站机组的理想用钢[4]。在国内,华能玉环电厂1000MW超超临界1、2号机组分别于2006年11月28日和12月30日投入运行,这是国内首台超超临界机组,主蒸汽管道采用的是A335P92钢,这标志着我国电站设备设计、制造、安装和火电单机容量、蒸汽参数、环保技术等级均达到了世界先进水平,是我国电力工业发展的里程碑。

表1 蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系

蒸汽参数与火电厂效率、供电煤耗关系

目前国内超超临界机组主汽和热段一般均采用T/P92钢。随着越来越多的超超临界机组开工建设,对T/P92钢管件的需求量也急剧增长,更为重要的是,随着运行时间的积累,寿命预测及运行监督是目前T/P92运用过程中所面临的主要问题。本文基于对该问题的解读,综述了T/P92钢的组织性能及寿命预测进展情况,并就研究发展方向进行了探讨。

1、T/P92钢微观组织结构

1.1、供货态T/P92钢的微观组织结构

T/P92钢的经正火+回火热处理后,其微观组织结构为典型的回火马氏体,国产T/P92钢生产工艺流程图见图1。T/P92钢原始组织形态主要为板条马氏体,是一种多重层叠式结构,如图2所示,即原奥氏体晶粒形成几个位向不同的板条束,每个板条束由数条马氏体板条组成,每条板条中包含许多亚晶粒,并伴随着高密度位错。此外,在原奥氏体晶界、亚晶界及板条内弥散分布着沉淀强化相M23C6碳化物和MX碳氮化物,其强化机理是弥散强化、高密度位错强化和固溶强化。

宝钢T/P92生产工艺流程图

图1 宝钢T/P92生产工艺流程图

T/P92钢微观组织结构示意图

图2 T/P92钢微观组织结构示意图

3、T/P92钢的研究发展方向

T/P92钢凭借优良的高温性能,主要用于625℃以下的高温蒸汽管道,目前已在超超临界机组中得到广泛应用。但是目前对T/P92钢的蠕变强度降低以及T/P92钢高温长期运行过程中蠕变老化的机理和微观结构变化及析出相对蠕变寿命评估的作用等方面尚未十分清楚,而且高温持久强度试验也刚超过10万小时。因此,有必要对T/P92钢组织和性能转变的规律和特点,运行中的疲劳损伤,微观组织的有效检测,剩余寿命的评估进行深入了解。

例如,可以通过采用复合多元强化手段,进一步探讨钨和钴的合金化,通过添加钨元素提高材料的蠕变强度,添加钴元素降低自扩散和稳定碳化物,来进一步优化合金元素的作用并提高其蠕变强度。细小弥散的MX相在高温下能较长时间保持组织稳定性,而且在提高材料强度的同时能起到钉扎位错和阻碍位错运动的作用,是铁素体耐热钢高温强度的重要保障。采用新技术如何生成纳米级的MX颗粒也值得进一步探讨。如何确保析出粒子在高温长时间作用下保持组织稳定性以及如何提高高温下晶界强化的方法也势在必行。此外,T/P92钢中的析出相对材料性能和钢的寿命的影响机理并未有一个较为统一的结论,析出相的变化过程还有待进一步的探讨。

最后,尽管目前国内外针对马氏体耐热钢微观组织的研究已经相当深入,积累了相当多的试验数据和研究结果,但如何有效地将微观组织结构变化和材料蠕变寿命预测相联系得出更加符合实际的寿命预测方法还需要进一步的研究。因此建立基于微观结构的新型寿命预测方法仍将是今后T/P92马氏体耐热钢研究的重要方向。