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。

2.25Cr1Mo钢激光熔覆工艺优化及氢致裂纹控制

基于ABAQUS及其子程序,对2.25Cr1Mo钢基体表面激光熔覆进行了数值模拟。分析了不同功率、扫描速率和光斑直径对激光熔覆温度、残余应力、氢浓度的影响,采用综合评价法确定了合理的参数为:激光功率1800 W、扫描速率5 mm∕s、光斑直径3 mm。模拟了经预热和焊后热处理后对残余应力及氢扩散的影响,并对比了常态及经热处理状态下的裂纹扩展情况。结果表明:在残余应力的作用下氢向高应力区富集,并且在热影响区附近有一个氢浓度低谷;经预热及焊后热处理后应力松弛效果明显,残余应力大幅减小,氢向外大量逸散,氢致裂纹得到有效控制。

2.25Cr1Mo0.25V耐热钢与304不锈钢AA-TIG焊接接头组织及性能研究

采用电弧辅助活性AA-TIG焊对2.25Cr1Mo0.25V耐热钢和304不锈钢管进行异种钢材焊接,并对其焊接接头的组织、硬度及力学性能进行分析。结果表明,使用AA-TIG焊能够一次性焊透2.25Cr1Mo0.25V耐热钢和304不锈钢,得到成形良好的焊接接头。焊缝处无裂纹等焊接缺陷,焊缝处各元素在焊缝水平方向分布均匀。在靠近两侧母材的焊缝区,Cr、Fe、Ni元素有一定的梯度,但无明显偏聚。焊接接头两边的母材区硬度值较低,在焊缝区域硬度达到最大,焊缝区域的硬度波动范围在400~489 HV之间,最终拉伸试样都断在304母材上,得到的平均拉伸强度为406 MPa,最大的抗拉强度为542 MPa。

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。

微量Mg添加对2.25Cr1Mo压力容器钢板奥氏体晶粒长大行为的影响

为揭示Mg对低合金钢奥氏体晶粒长大的作用,以2.25Cr1Mo压力容器钢板为研究对象,利用真空感应炉、450型双辊可逆轧机制备不加Mg和加Mg的热轧板材,采用光学显微方法和专业图像软件等分析研究了试验钢在900~1 200℃温度范围内加热时奥氏体晶粒长大行为,并对奥氏体晶粒变温长大动力学方程进行了数学回归分析。结果表明,在900~1 000℃加热时,Mg对奥氏体晶粒有细化作用;在1 100~1 200℃加热时,Mg对奥氏体晶粒无细化作用。数学回归分析表明,Mg添加可增大奥氏体晶粒长大激活能,在900~1 000℃温度范围内阻碍奥氏体晶粒长大。较低温度下Mg添加阻碍奥氏体晶粒长大与其在晶界或相界处碳化物的偏聚发挥钉扎作用有关,由于较高温度下固溶Mg不具有钉扎奥氏体晶粒长大的作用,致使奥氏体晶粒明显粗化。

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。

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-0.25V钢的焊缝回火脆化研究

实际生产中发现,同一牌号、不同批次的熔敷金属阶冷后脆化倾向明显不同。对2.25Cr-1Mo-0.25V焊缝的化学成分、力学性能、韧脆转变温度以及金相显微组织进行了研究,认为产生回火脆性是由于Si和Mn含量较高、磷元素以及碳化物在晶界上偏聚所致。

电化学充氢下2.25Cr1Mo0.25V钢氢脆敏感性研究

针对制造加氢反应器的主要材料2.25Cr1Mo0.25V钢易发生氢脆的问题,重点研究了材料氢脆发生机制,以了解该材料的氢脆敏感性。利用电化学氢渗透测试技术,通过施加阴极恒电流,使氢原子渗透进入钢中,揭示了不同环境中的氢扩散特性,同时通过结合氢渗透技术和慢速率拉伸试验方法研究了钢材的氢脆敏感性。渗氢试验结果表明:随着电化学充氢电流密度的增大以及试样厚度的减小,氢扩散系数均逐渐增大;充氢温度的倒数1/T和氢扩散系数的自然对数之间存在线性关系。慢速率拉伸试验的结果表明:随着充氢电流密度的增大,钢的断裂强度、延伸率和断面收缩减小而氢脆指数增大。当充氢电流密度超过2.5×10^(-3) A/cm^2时,钢材表现出明显的氢脆。该试验结果可为加氢反应器材料性能评价提供理论依据。

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。

热处理工艺对2.25Cr1Mo0.25V钢相变温度的影响

采用热膨胀法测试了不同热处理工艺条件下2.25CrlMo0.25V钢的相变温度Ac1和Ac3。结果表明,该钢经退火处理后的相变温度分别为797.1℃和886.2℃,经淬火处理后的相变温度分别为801.3℃和891.4℃,经调质处理后相变温度分别为809.2℃和898.7℃。不同组织对相变温度有影响,实际生产中应考虑热处理对组织和性能的影响。

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-0.25V钢应力腐蚀裂纹扩展速率试验

把2.25Cr-1Mo-0.25V钢用线切割方法做成了楔形张开加载预裂纹试样,通过预加载荷和预加位移量的标定及确认,在不同浓度的H2S溶液中进行了应力腐蚀试验。采用恒定位移法,确定了2.25Cr-1Mo-0.25V钢应力腐蚀裂纹扩展速率和腐蚀临界应力强度因子。

热输入对2.25Cr1MoV钢粗晶热影响区再热裂纹敏感性的影响

再热开裂曾多次在2.25Cr1MoV钢反应器的焊接粗晶热影响区（Coarse-grained heat affected zone,CGHAZ）部位发生,却很少在＂斜Y型坡口再热裂纹试验＂中出现。考虑两者之间的热输入差异,通过Gleeble热模拟试验研究热输入对2.25Cr1MoV钢CGHAZ再热裂纹敏感性的影响,并结合显微组织观察、硬度测定及断口分析,讨论热输入、组织和性能之间的关系。结果表明,在5~100 kJ/cm的热输入范围内,CGHAZ的再热裂纹敏感性随热输入的升高而增大,当热输入为35 k J/cm时,CGHAZ在675℃对再热开裂＂高度敏感＂,限制热输入在25 kJ/cm以内,将有效降低其再热裂纹敏感性。综合分析发现,模拟CGHAZ的高温塑性与其在高温拉伸试验后硬度的变化规律之间存在良好的对应关系。当软化现象发生时,拉伸试样的断裂模式为穿晶与沿晶的混合型断裂,具有较高的断面收缩率（Reduction of area,Ro A）,当二次硬化现象发生时,其断裂模式为均一的微孔聚集型沿晶断裂,RoA显著降低。试验结果从二次硬化的角度反映了高热输入条件下CGHAZ的再热脆化机理。

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。

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。

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。

2.25Cr1Mo钢韧脆转变温度影响因素分析

采用不同的时效工艺,运用冲击试验、俄歇能谱、扫描电镜等分析方法,研究2.25Cr1Mo钢的韧脆转变温度变化规律及其影响因素。结果表明,2.25Cr1Mo试验钢650℃时效2h后的韧脆转变温度为-55℃,560℃时效100h后的韧脆转变温度为-25℃,480℃时效1 200h后的韧脆转变温度升高至-10℃;P在晶界处的偏聚行为是导致试验钢韧脆转变温度变化的主要因素。