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低合金耐热钢焊接要点

2.25Cr-1Mo低合金耐热钢具有较好的焊接性,可以采用所有的焊接方法焊接,但焊缝金属容易出现低温冲击韧性差的问题。为了保证2.25Cr-1Mo低合金耐热钢焊缝金属的力学性能,尤其是低温冲击韧性,需要注意两个方面:一是焊接工艺规范;二是焊接材料的选用。根据不同的焊接方法制订焊接工艺规程及严格执行焊接工艺规程;根据不同的焊接方法选用合适的焊接材料。Mn对2.25Cr-1Mo低合金耐热钢中焊缝金属的低温冲击韧性有较大的影响,Mn含量在1%左右时可将焊缝金属的低温冲击吸收能量提高至100 J以上。但在实际焊接时,又要求ω(Si)+ω(Mn)≤1.2%。P,Sb, Sn, As等杂质元素会导致焊缝金属的回火脆化,应减少这些杂质元素含量,使X系数<15。

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.

9Cr-1Mo钢在含水蒸汽气氛中的氧化行为

研究了9Cr-1Mo(ASME T91)钢在(Ar+10%H_2O)气氛中600℃、650℃和700℃下的高温氧化行为.在恒温氧化10 h过程中,在600℃氧化遵从抛物线规律;而在650℃和700℃氧化则遵从分阶段抛物线规律,且后一阶段的速度常数高于前一阶段的;随着温度的升高,氧化速度明显增大;氧化激活能为157.2 kJ/mol.T91钢氧化时表面形成了多层结构的氧化膜,从外到内依次为Fe_2O_3、Fe_3O_4和(Fe,Cr)_3O_4;钢基体也发生了内氧化,内氧化物为FeO和Cr_2O_3.只有在700℃氧化时没有外层Fe_2O_3形成和内氧化发生.9Cr-1Mo钢氧化后冷却至室温后,氧化膜发生开裂或局部剥落.最外层Fe_2O_3与次外层Fe_3O_4间出现很大的裂隙,Fe_2O_3层容易剥落.同时探讨了9Cr-1Mo钢在含水蒸汽气氛中的氧化机制.

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。

铬、铌和钒对9Cr-1Mo钢焊缝回火组织性能的影响

对于 9Cr- 1Mo耐热钢 ,碳化物的类型和分布是维持材料高温力学性能的关键。对于瑞典ESAB公司的三类 9Cr- 1Mo焊条制成的焊缝金属 ,通过研究发现 ,经过 710℃或 74 0℃× 5h的高温回火处理以后 ,三类材料的力学性能变化发生了较大的差异 ,为此用电子显微镜和光学显微镜对材料的微观组织进行了观察。根据微观观察和成分分析的结果发现 ,高温回火热处理后 ,Cr2 3C6 和Cr7C3型碳化物沿晶界和马氏体板条界面以链状或粒状析出长大 ,材料的力学性能因此发生变化 ,同时还发现 ,铌和钒所产生的耐高温碳化物对保持焊缝组织的高温稳定性有重要影响 。

3Cr-1Mo-1/4V钢的组织与性能

采用金相、TEM、XRD等方法研究了 3Cr- 1Mo- 1/ 4V钢组织与性能 ,结果表明 :3Cr- 1Mo- 1/ 4V钢在5 5 0℃回火时出现二次硬化现象 ,其强度、硬度达到极大值 ,随回火温度的升高和回火时间的延长 ,强度、硬度下降 ,而塑性增加。经模拟最大焊后热处理 (Max.PWHT)后的拉伸性能和模拟最小焊后热处理(Min.PWHT)后的 - 18℃夏比 (V型 )冲击韧性均满足加氢反应器的设计要求。筒体锻件性能分析表明 :力学性能均匀 ,达到了加氢反应器的技术要求 ,良好的成分均匀性。

国产9Cr-1Mo-V-Nb-N钢的静力强塑性研究

对国产9Cr-1Mo-V-Nb-N钢厚壁管试制品与进口住友P91钢管在供货状态下进行了比较研究,测试了2者的化学成分及静力拉伸强塑性,分析了其间存在的差异。结果表明,国产试制品质量有明显提高,但钢中杂质元素的控制与住友钢管有一定差距,静力强塑性指标仍偏低,质量均匀性也有待提高。

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。

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。

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。

高温回火热处理对9Cr-1Mo钢焊缝组织韧性的影响

以ESAB公司的三种9Cr-1Mo焊条的焊缝金属为研究对象,以Formastor-D全自动热膨胀记录仪分析了焊缝金属的连续冷却曲线,用MTS试验机分析了焊缝组织的断裂韧性.研究结果表明,Cr、N i、C和Mn等元素导致OK1和OK3的MS点应比OK2的低,奥氏体稳定性升高.710℃高温回火处理后,OK2焊缝组织的韧性较高.回火组织中碳化物沿晶界或相界析出使裂纹扩展更加容易从而使9Cr-1Mo焊缝组织的韧性降低.

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。

氢对2.25Cr-1Mo钢回火脆化的影响

对加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢进行了回火脆化并充氢处理;通过冲击试验机、俄歇电子能谱仪及扫描电镜等研究了2.25Cr-1Mo钢在回火脆化与氢脆联合作用下的脆化情况;结合晶界偏聚理论,计算了在不同回火及充氢处理后杂质磷原子在晶界上的偏聚量。结果表明:试验钢的脆化程度不能用显微组织、硬度的变化来评价;在回火温度范围内,随着回火时间的延长,试验钢回火脆化的程度逐渐增大,氢进一步增加了其脆化程度,并且回火脆化与氢脆联合作用下的脆化程度要远大于回火脆化的;氢增大了试验钢中杂质原子磷的扩散系数,进而促进磷原子向晶界偏聚,这是充氢加重回火脆化的主要原因。

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。

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.