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。

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.

2.25Cr-1Mo-0.25V钢加氢反应器开发与制造中的一些问题

由于对尺寸增大和高设计参数加氢反应器的需求,促使要制造更大、更重的高温钢加氢反应器。20世纪80年代开发了2.25Cr-1Mo-0.25V钢。钢中添加V后影响到焊接与热处理时的氢陷阱、氢扩散与应力松弛。制造规范需要进行调整,以防止焊接接头发生硬度高、韧性低以及持久强度低和开裂等问题。本文扼要介绍了以往2.25Cr-1Mo-0.25V钢容器制造过程中发生的一些问题及国外研究工作的进展,对国内需进行的工作提出了建议。

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-0.25V纯净钢筒体锻件的工艺与性能

为了制造千吨级煤液化反应容器 ,满足更高温度 (482℃ )和更高的强度等级 (σ0 2 ≥ 4 15MPa) ,减少筒体锻件的重量 ,在原采用的 2 2 5Cr - 1Mo钢的基础上 ,开发出了加V钢。针对煤液化装置 (或大型热壁加氢反应器 )用 2 2 5Cr - 1Mo - 0 2 5V纯净钢筒体锻件的特点及理化性能要求 ,分析了冶炼、锻造、热处理等工序的难点 ,在进行大量的国内、外资料查寻以及材料和工艺试验的基础上 ,制定出并实施了制造工艺 ,经过筒体锻件的解剖及理化检验 ,证明所采用的工艺方法是非常有效的 ,完全满足煤液化装置用钢 2 2 5Cr- 1Mo - 0 2 5V的质量要求。

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-0.25V复合钢板制加氢反应器焊接

分析了加氢反应器主体材料2.25Cr-1Mo-0.25V钢板的化学成分及其焊接特点,介绍了2.25Cr-1Mo-0.25V复合钢板制加氢反应器的焊接结构设计、焊接工艺、质量控制措施以及热处理工艺,焊后反应器主体焊缝一次探伤合格率为98.5%,质量良好。

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。

作用应力对2.25Cr-1Mo合金钢回火脆性的影响

在146.7MPa的作用应力下,对加氢反应器材料2.25Cr-1Mo合金钢(%:0.15C、2.32Cr、0.95Mo、0.011S、0.009P、0.0068As、0.0035Sb、0.0079Sn、0.01V)进行468℃125h和400h的等温回火脆化试验。根据加氢反应器母材试块脱脆、脆化和应力作用3种状态冲击功和温度关系曲线,得出各状态回火脆性转变温度VTr54.2(℃)值和回火脆化度ΔVTr54.2(℃)。结果表明,温度和等温时间是导致材料回火脆化的主要因素,作用应力对2.25Cr-1Mo钢回火脆性的影响不显著。

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。

热处理工艺对2.25Cr-1Mo-0.25V钢低温韧性的影响

模拟实际大型锻件热处理工艺条件,研究了不同预备热处理和最终性能热处理工艺规范对2.25Cr1Mo0.25V钢-30℃冲击韧性的影响,结果表明经调质预处理后的低温韧性随再奥氏体化温度的升高而降低,而经1200℃正火预处理后进行1040℃奥氏体化,不仅有利于碳氮化物充分溶解与合金元素的均匀化,同时有利用奥氏体的自发再结晶细化晶粒并获得较高的低温韧性。

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。

制造加氢反应器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的焊接性能试验

2.25Cr-1Mo-0.25V钢是一种抗氢用钢,该新型Cr-Mo钢与普通的2.25Cr-1Mo钢相比,各方面都有明显的优势:强度及许用应力、最高使用温度高,抗氢性能好,能够满足更苛刻的操作工况的需要,使用该钢的设备质量更趋轻量化。介绍了该钢种开发过程中的焊接性能试验结果,掌握用该材料制造加氢反应器的焊接工艺技术,为应用该种材料制造加氢反应器奠定了基础。

2.25Cr-1Mo-0.25V钢焊缝冲击性能和显微组织分析

进行了2.25Cr-1Mo-0.25V钢的焊条电弧焊试验,测定其焊缝的成分和冲击吸收功,进行了金相及启裂源观察,对冲击吸收功较低的样品进行脱脆处理.结果表明,冲击吸收功较低的焊缝的Mn,Si,Mo及其杂质元素含量相对较高,Mn,Si,Mo等元素促进杂质元素在晶界上的偏聚,致使晶界性能变坏,断口以沿晶断裂为主,冲击吸收功降低,脱脆处理后,冲击韧性恢复说明焊缝存在高温回火脆性,导致高温回火脆性是由于杂质元素在晶界上的偏聚,因此研制焊条时要严格控制Mn,Si,Mo和杂质元素的含量.

2.25Cr-1Mo合金钢400℃下表面疲劳短裂纹群体演化行为研究及计算机模拟

依据 2 .2 5 Cr-1 Mo合金钢多种条件下表面疲劳短裂纹的实验分析结果 ,提出了一种表面随机分布短裂纹群体演化行为模型 ,模型计及了材料细观组织的障碍作用及裂纹相互之间的干涉效应。并用该模型对2 .2 5 Cr-1 Mo材料表面疲劳短裂纹萌生、扩展及合体的全过程进行了数值模拟分析 ,结果表明短裂纹统计数据的模拟结果与实验结果基本一致。

加氢反应器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢埋弧焊焊缝的组织与力学性能

采用窄间隙埋弧焊工艺在相同焊接参数下对2.25Cr-1Mo-0.25V钢进行焊接,选择冲击功相差较大的两个焊缝进行化学成分分析、力学性能测试、宏观断口及显微组织观察,并分析了焊缝冲击功不稳定的原因。结果表明:焊缝冲击功出现波动是由化学成分和组织不同造成的;焊缝中的锰、硅元素含量较多时,冲击功低,韧性差;组织粗大,板条贝氏体较多时,韧性和塑性低;组织细小,粒状贝氏体较多时,韧性和塑性较高;当冲击试样缺口开在板条贝氏体较多的区域时,M/A岛趋于直线排列,容易形成裂纹,冲击功较低。

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.

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

2.25Cr-1Mo/奥氏体不锈钢堆焊接头熔合区碳的迁移及成分分析

异种钢焊接接头在焊接时或使用期间,发生失效的主要区域通常在熔合区。长期以来,异种钢接头熔合区一直是焊接工作者研究的重点。虽然国内外对异种钢接头的熔合区进行了大量的研究,但仍然有许多问题尚需进一步研究,尤其是基体为铸造组织的铸钢堆焊奥氏体不锈钢,其基体组织和成分的不均匀性也会对熔合区组织产生不利的影响。在此对在2.25Cr-1Mo钢上堆焊奥氏体不锈钢的焊接性试验的基础上,重点研究了堆焊接头熔合区碳的迁移及其成分分析,为正确指导大型汽轮机高压模块中分面堆焊以及类似产品焊接生产提供了理论依据。