钠冷快堆蒸汽发生器用2.25Cr-1Mo钢热老化行为研究进展

中国实验快堆蒸汽发生器主要使用核级2.25Cr-1Mo钢制造。由于钠冷快堆中严苛的工作环境,蒸汽发生器传热管需要同时面对高温、高压差以及钠和水腐蚀等问题,其中部分问题引起蒸汽发生器的热老化行为,从而影响其寿命。本文调研了钠冷快堆蒸汽发生器用2.25Cr-1Mo钢热老化行为的主要影响因素,总结了开展2.25Cr-1Mo钢热老化行为研究的多种方法,提出了解决2.25Cr-1Mo钢热老化问题的措施,并对未来发展方向进行展望,以期为我国钠冷快堆蒸汽发生器部件的寿命评估和安全运行提供参考。

2.25Cr-1Mo钢焊缝裂纹现场返修工艺

加氢反应器是石油化工行业的核心设备,某石化装置2.25Cr-1Mo耐热钢制加氢反应器使用多年停车检修时,发现加氢反应器封头与筒体连接的环缝处有一横向裂纹。本文以该裂纹的现场修复为例,对2.25Cr-1Mo耐热钢的焊接性及裂纹产生原因进行了分析,通过对2.25Cr-1Mo耐热现场修复流程的制定与实施,总结了高效修复2.25Cr-1Mo耐热钢焊缝裂纹的工艺方法,为现场修复类似缺陷的加氢反应器提供了参考。

核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能

目的研究核用2.25Cr-1Mo钢在不同环境下的微动磨损性能。方法采用自制的切向微动磨损试验设备,在4种环境(温室RT/大气、RT/水、450℃/大气和450℃/液态钠)下对2.25Cr-1Mo钢进行了切向微动磨损试验。试验参数为:法向载荷20 N,运动频率5 Hz,位移幅值50μm,循环次数10^(5)和2×10^(5)。试验前,采用维氏硬度仪测量了2.25Cr-1Mo钢在室温和450℃高温下的硬度。试验后,采用Bruker白光干涉显微镜测量了磨痕的三维形貌并获得了截面轮廓和磨损量。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)分析磨痕表面和横截面的微观形貌以及摩擦化学反应。结果2.25Cr-1Mo钢在不同环境下表现出不同的磨损性能。450℃液态钠环境下的磨损量最大,大于450℃和室温大气环境下的磨损量;室温水环境下的磨损最小。经过10^(5)微动循环后,2.25Cr-1Mo钢在450℃液态钠和室温水环境下表现出最大和最小的磨损率,分别为4.17×10^(-6)mm^(3)/(N·m)和0.32×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。结论2.25Cr-1Mo钢在室温大气环境下的磨损机制为分层、剥落和氧化磨损;随着温度升高到450℃,大气环境下的氧化磨损加剧,伴随着剥层和“锻造流线”;室温水环境下的磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损;450℃液态钠环境下的磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和“锻造流线”,同时钠的腐蚀协同作用也加速了材料的失效。

基于声发射统计信息的2.25Cr-1Mo钢早期损伤判别方法

裂纹开裂是金属材料常见的损伤失效形式之一。而材料失效会经历从早期微小损伤到宏观变形的微观组织动态演化过程,如何在材料发生宏观变形之前,能够及早地发现损伤至关重要。该文基于对材料损伤失效过程不同声源的机理分析,提出了以不同声源信号数的统计占比值κ这一变量来判定表征材料早期损伤阶段的判别指标,制备6个含不同缺陷的不带堆焊层和带堆焊层的2.25Cr-1Mo钢试件,采用声发射技术对试件的弯曲损伤全过程进行在线测试,获得了6个试件早期损伤阶段的声学数据,通过对比分析以幅值和能量为主的单一参量以及基于支持向量机的多元参量κ值的统计结果,证明了利用κ值可以有效地对不带堆焊层和带堆焊层的2.25Cr-1Mo钢试件的早期损伤阶段进行判别,其中不带堆焊层试件的κ值范围为1:3.1~1:3.6之间,带堆焊层试件的κ值范围为1:2.2~1:2.6之间,具有明显的区分度。

2.25Cr-1Mo钢回火过程中碳化物析出顺序的研究

采用化学相分析的方法研究了2.25Cr-1Mo钢粒状贝氏体组织在回火过程中碳化物的变化和析出顺序.结果表明,当回火参数为18140～22000时,试验钢中析出合金碳化物的类型为M2(CN),M6C,M4C3,Cr9C3以及M23C6;合金碳化物的析出顺序为M2(CN)→M6C→M7C3,Cr7C3→M23C6,而且这些合金碳化物的变化过程是一系列重迭的阶段.

残余奥氏体对2.25Cr-1Mo钢焊缝冲击性能的影响

比较2.25Cr-1Mo钢埋弧焊焊缝经过720℃保温2 h(工艺1)以及680℃保温12 h(工艺2)的冲击性能,结果表明热处理工艺1具有更好的冲击韧度;进一步测试工艺1接头液氮处理后的冲击性能,发现冲击韧度降低,推测残余奥氏体质量分数是造成这不同热处理工艺冲击性能差异的因素。采用振动样品磁强计和电子背散射衍射技术分别研究两种热处理试样的磁极化强度和相分布,获得了两种热处理工艺处理后焊缝金属的残余奥氏体质量分数,磁法测量表明焊后经工艺1处理后存在约3%左右的残余奥氏体,而经工艺2处理后残余奥氏体为0.2%;EBSD分析结果:工艺1的残余奥氏体质量分数为3.49%,工艺2的质量分数为0.18%,证实了焊缝中残余奥氏体质量分数的变化对冲击性能具有一定的影响。

2.25Cr-1Mo钢氢致裂纹扩展行为研究

采用电解充氢方法对2.25Cr-1Mo钢氢致裂纹扩展进行试验,并采用甘油测氢法测定了2.25Cr-1Mo钢发生裂纹扩展时钢中扩散的平均氢浓度。为了进一步了解裂纹尖端的氢浓度大小对裂纹扩展的影响,利用有限元软件对氢在2.25Cr-1Mo钢中的扩散过程进行模拟分析,系统研究了在应力-氢环境交互作用下裂纹尖端周围的氢扩散规律,并给出了裂纹扩展时裂尖局部位置的氢浓度大小。

2.25Cr-1Mo钢后续热处理中的磷偏聚行为

根据溶质晶界偏聚理论和原子扩散原理研究了2.25Cr-1Mo钢服役12年后磷晶界偏聚行为及脱脆处理工艺。采用俄歇电子能谱实验对溶质原子的晶界偏聚程度进行了测试分析。结果表明:对于已脆化的2.25Cr-1Mo钢,存在临界脆化温度,且脆化程度越高,临界脆化温度越低;高于临界脆化温度数小时的保温即可消除脆化现象,即2.25Cr-1Mo钢的脱脆速率远大于脆化速率。

基于主曲线方法确定2.25Cr-1Mo钢韧脆转变区的断裂韧度

针对运行了20万h的加氢反应器接管弯头材料2.25Cr-1Mo钢,测试了其低温拉伸性能、夏比V型缺口冲击功及断裂韧性;在此基础上,得到了其主曲线的参考温度,通过进一步预测得到了该钢在整个韧脆转变区的断裂韧度分布。结果表明:2.25Cr-1Mo钢主曲线的参考温度为-154℃;经过20万h的运行,该钢仍具有充足的韧性;验证了主曲线方法对非核电用2.25Cr-1Mo钢的适用性。

2.25Cr-1Mo钢母材及焊缝的回火脆化研究

应用平衡晶界偏析理论对不同运行时间的加氢反应器随炉母材2.25Cr-1Mo钢及焊缝试块进行分析,计算得出杂质原子P的晶界偏析量,并与回火脆化试验结果进行比较分析。理论计算与试验结果均表明,随着运行时间的延长,加氢反应器母材和焊缝的回火脆化量在逐渐增加,其中焊缝回火脆化量增长速度明显大于母材,焊缝的回火脆化情况比母材严重。对已运行10万h的加氢反应器而言,焊缝仍处于加速脆化阶段,母材的回火脆化逐渐趋于饱和。分析认为,平衡晶界偏析理论可以解释加氢反应器材质回火脆化现象。

应力作用下2.25Cr-1Mo钢中磷的晶界偏聚

对加氢反应器随炉运行试样在146.67 MPa的作用应力下,分别进行125、200和400 h的等温回火脆化试验,然后对试验后试样进行俄歇电子能谱分析试验(AES),得到有、无应力下杂质元素P原子的晶界偏聚量.结果表明:有应力作用下的P原子的晶界偏聚量要比无应力下的要低,且冲击试样的断口形貌与晶界P原子的偏聚结果相一致.导致加氢反应器材料2.25Cr-1Mo钢回火脆化主要原因是P原子在晶界偏聚所致,而作用应力对杂质P原子的偏聚有一定的影响,并且起到抑制作用,且随着保温时间的增加,这种作用不断加强.

复杂应力状态2.25Cr-1Mo钢的高温低周疲劳裂纹扩展规律

用带预裂纹的缺口试件研究2.25Cr-1Mo钢高温低周疲劳裂纹扩展规律,通过疲劳试验观察裂纹扩展寿命,应用ANSYS计算裂纹尖端应力应变分量和当量弹、塑性应变范围,利用当量J积分范围表征2.25Cr-1Mo钢在复杂应力状态下的低周疲劳裂纹扩展速率。结果表明:疲劳裂纹扩展速率da/dN与当量J积分范围ΔJf的关系不受试件缺口型式和加载应变范围的影响,用当量J积分来评价2.25Cr-1Mo钢的高温低周疲劳裂纹扩展规律是有效的。

2.25Cr-1Mo钢焊接热影响区组织、韧性及其冷裂敏感性

采用热模拟及插销试验方法对 2 .2 5Cr -1Mo钢焊接热影响区的组织、韧性及冷裂纹敏感性的相关性进行定量研究与分析 ,提出了 2 .2 5Cr

长期高温使用后2.25Cr-1Mo钢焊接接头热影响区的蠕变损伤

对火力发电厂中在571℃使用约26万h后的2.25Cr-1Mo钢管焊接接头不同区域的显微组织进行了观察,重点对热影响区的蠕变损伤程度进行了分析。结果表明:该钢弯管焊接接头腹侧的热影响区主要为细晶组织,接近设计寿命时细晶区内蠕变孔洞面积占比约为0.8%,这可作为同种材料管道焊接接头蠕变失效的判据;细晶区内部还存在大量的MnS夹杂物,其附近多伴有孔洞和微裂纹,是影响焊接接头蠕变寿命的一个因素。

Auger电子能谱分析方法及其在2.25Cr-1Mo钢回火脆性中的应用

介绍了Auger电子能谱(AES)分析方法、分析原理和试验过程,并对主要试验参数进行了讨论。同时,基于AES分析方法,对加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢及其在步冷脆化和修正步冷脆化状态下进行AES分析试验。结果表明,2.25Cr-1Mo钢回火脆化机理是杂质原子P在晶界偏析所致,材料加速脆化的机理是材料中杂质原子P在晶界上不断偏析所致。

温度对2.25Cr-1Mo钢抗蒸汽氧化性能的影响

研究蒸汽温度对2.25Cr-1Mo钢抗蒸汽氧化性能的影响。分别在460℃、480℃和500℃,0.1 MPa试验条件下,对2.25Cr-1Mo钢进行了600 h蒸汽氧化试验。采用分析天平测量试样的氧化增重,获得氧化动力学曲线;通过扫描电镜(SEM)及其附带的能谱仪(EDS)分析了氧化膜的形貌和结构;采用X射线衍射仪(XRD)结合EDS对氧化产物进行相鉴定。2.25Cr-1Mo钢在460℃、480℃和500℃蒸汽下的氧化增重-时间关系曲线均接近立方规律。表层氧化物为Fe_(2)O_(3)和Fe_(3)O_(4)相。氧化温度越高,表面气孔越多,氧化物晶粒尺寸越大。氧化膜呈双层结构,外层由富Fe氧化物组成,内层Cr含量较高,起主要保护作用。温度升高对氧化膜整体结构影响不大,但能够加速元素扩散速率从而提高氧化速率,同时加速氧化产物的长大。

步冷试验法预测2.25Cr-1Mo钢回火脆性

对在加氢反应器内运行近５ａ的２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ钢试块进行了２次步冷试验，评定了２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ钢的回火脆性。结果表明，对已经回火脆化的２．２５Ｃｒ－１Ｍｏ钢试块不适宜用步冷试验来预测其进一步的回火脆化程度。

2.25Cr-1Mo钢交直流焊接性能对比

本文介绍 2 2 5Cr - 1Mo钢采用交、直流两种焊接工艺进行焊接接头的性能比较 ,并指出 2 2 5Cr - 1Mo钢采用交流焊接工艺能获得良好的低温冲击韧性。

应用串联电化学充氢方法研究氢及应力对2.25Cr-1Mo钢回火脆化的影响

开发了一种串联电化学充氢方法,可以一次性有效地对试样进行充氢,新充氢方法有效解决了以往电化学充氢方法中试样的氢含量不均匀问题;将放入加氢反应器中运行了10万h的2.25Cr-1Mo钢块脱脆后,再在468℃脆化200h,制备了四种状态的脆化试样,即200h回火脆化、应力作用下200h回火脆化、200h回火脆化后充氢以及应力作用下200h回火脆化后充氢试样,并对四种状态试样分别进行冲击试验、俄歇电子能谱分析。结果表明:应力减弱了2.25Cr-1Mo合金钢的回火脆化程度,充氢大大加速了其脆化程度;其原因是磷原子偏析造成的。

2.25Cr-1Mo钢在高温钠中的脱碳规律研究

快堆蒸发器多使用2.25Cr-1Mo钢作为传热管材料,但2.25Cr-1Mo钢在高温钠中存在脱碳现象导致力学性能下降,而特殊的工况又决定了其不能进行破坏性检验,故研究其脱碳机理是掌握脱碳层深度变化及其对力学性能影响的有效手段。