基于磁巴克豪森效应的P92钢热老化检测仪器设计

针对火电厂锅炉和主蒸汽管道用钢——P92钢在服役时的热老化程度检测,以HDSP-SUPER 28335开发板为核心研制了一套基于MBN效应的检测仪器,该仪器具有激励信号的产生,MBN信号的采集、处理、显示及存储功能,且灵敏度高、功能全面,可以用于试验研究;针对不同钢种对激励信号敏感程度不同的问题,开展了对于标准P92钢MBN信号检测适用激励信号的试验研究,根据激励信号幅值与MBN信号均方根值的变化关系确定了激励信号的幅值,根据不同激励信号频率产生的MBN信号的波形效果选择了激励信号的频率。

P92钢接头Ⅳ型开裂蠕变孔洞临界值的分析及应用

【目的】分析P92管道接头热影响区发生Ⅳ型开裂的蠕变孔洞临界值的影响因素,得到蠕变孔洞临界值计算方法,为评估接头开裂风险提供依据。【方法】收集服役后发生Ⅳ型开裂的P92接头,在未开裂处取样进行610℃下不同应力条件的高温持久蠕变试验,然后使用光学显微镜、电子显微镜观察服役开裂接头和持久断裂接头热影响区的蠕变孔洞分布形貌,并借助图像分析软件测量蠕变孔洞的面积分数,同时使用硬度仪测试热影响区软化情况,最后综合测试结果分析细晶区软化程度和接头应力水平对蠕变孔洞临界值的影响,并拟合应力、显微硬度、孔洞临界值三者之间的函数关系。【结果】研究发现,P92钢接头细晶区相比于接头其它区域软化速度更快,但软化作用并非其发生Ⅳ型开裂的必要条件,当应力水平较高时,细晶区没有发生明显软化时就可以触发蠕变开裂;得到接头轴向应力水平、蠕变孔洞面积分数临界值和显微硬度的函数关系式。【结论】引起Ⅳ型开裂的蠕变孔洞面积分数临界值与相对应力水平(轴向应力与硬度的比值)有关,相对应力水平越高,蠕变孔洞临界值越小,接头安全性就越低;通过测量接头细晶热影响区的蠕变孔洞面积分数和显微硬度,可以估算开裂接头的轴向应力水平,也可以评估在役未开裂接头的Ⅳ型开裂风险。

管道初始状态对P92钢细晶区组织和性能的影响研究

本研究以新旧P92钢管为研究对象,基于快速热处理方法制备了细晶热影响区棒状试样,通过扫描电镜、透射电镜观察,显微硬度、蠕变实验对比了两种细晶区的显微组织和力学性能,揭示了管道初始状态对P92钢细晶区组织和性能的影响。结果表明:与P92新管细晶区相比,P92旧管细晶区的位错密度低,析出相粗大,降低了其硬度和蠕变抗力。蠕变过程中,P92旧管细晶区的Laves相析出倾向更大,促进蠕变空洞的形成,加速蠕变断裂,缩短了其蠕变寿命。

采用连铸坯制造的P92钢管性能试验研究

为评估采用连铸坯轧制的P92钢管的性能,对几家钢厂提供的3支采用连铸坯轧制的P92大直径厚壁钢管进行理化检测、625℃高温持久强度试验等。结果表明:采用连铸坯轧制的P92钢管的各项理化性能满足相关标准要求,625℃、10万h外推高温持久强度为93.1 MPa,高于规范推荐值。因此,连铸坯P92钢管已具备工程应用条件,可降低产业链成本。

P92钢焊接组织分析与残余应力模拟

对P92钢平板进行了4层4道焊接试验,采用X射线衍射法测量焊接残余应力,通过光学金相显微镜对焊件显微组织进行表征,利用维氏硬度计对其硬度进行测量。同时基于SYSWELD软件在相同条件下对P92钢平板进行焊接模拟,得到焊接应力场与应变场的计算结果,并使用生死单元技术对比不同焊道焊接结束后残余应力的动态变化,探究多层焊接残余应力的产生与影响因素。金相试验结果显示,焊缝(FZ)处组织为淬火马氏体,最大硬度高达436 HV;母材(BM)组织为回火马氏体,平均硬度为236 HV;热影响区(HAZ)从过热区到正火区硬度逐渐降低。有限元计算结果表明,模拟所得残余应力分布与实测值吻合良好,证明了该焊接模型的准确性;横向拉应力和纵向压应力的最大值出现在焊缝处,纵向拉应力与横向压应力最大值均出现在热影响区与母材交界处,但随着焊道高度的变化,残余应力分布趋势基本不变;上层焊道热载荷对下层焊道的残余应力分布具有较大影响,固态相变效应不仅影响残余应力分布,还会使板件在焊接时产生较大的角变形。

P92钢脉冲电弧焊与GTAW-SMAW焊接接头微观组织及力学性能对比分析

【目的】旨在研究脉冲电弧焊对P92钢焊接接头微观组织和力学性能的影响,及其改善P92钢焊接接头力学性能的可靠性。【方法】采用脉冲电弧焊和氩弧焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)-焊条电弧焊(Shielded metal arc welding,SMAW)制备相应的P92钢焊接接头试样,对焊接接头的微观组织、显微硬度、室温与高温拉伸性能、高温持久性能进行测试及分析。【结果】结果表明,脉冲电弧焊的焊接接头焊缝及热影响区微观组织较GTAW-SMAW工艺的焊接接头更细小,形成的热影响区更窄,微观组织中无明显的过热粗晶区,但从显微硬度分布可以分析出紧邻熔合线区域仍存在过热硬化区;脉冲电弧焊接接头与GTAWSMAW焊接接头的室温拉伸性能相近,高温拉伸性能略优于GTAW-SMAW接头;在650℃,100 MPa条件下,脉冲电弧焊接接头蠕变断裂寿命与GTAW-SMAW焊接接头相当,原因在于2种工艺接头热影响区中软化区的宽度相近,而软化区的微观组织和力学性能决定了整个接头的蠕变断裂寿命。【结论】通过对比2种焊接方法的P92钢焊接接头微观组织及力学性能,证明了脉冲电弧焊可作为P92钢焊接的备选方法。

电厂P92钢主蒸汽管焊缝缺陷分析及焊接修复研究

本研究针对超超临界电站中P92钢主蒸汽管道焊缝的常见缺陷类型及其成因进行了深入分析。研究发现,气孔、夹渣、未熔合与裂纹是影响焊缝质量的主要缺陷,其形成与焊接工艺参数、材料选择、操作技能及环境条件紧密相关。通过采用超声波检测和相控阵技术,能够有效地检测焊缝中的微小缺陷。修复技术方面,手工电弧焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊均适用于不同情况的焊缝修复。研究结果强调了优化焊接工艺参数和实施严格质量控制措施的重要性,以提高焊接质量并确保电站的安全稳定运行。

焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力场的影响

采用红外热成像仪测量了P92钢管道在焊接过程中的温度场分布,由此获得P92钢焊接过程的温度循环曲线;采用有限元方法模拟了P92钢管道多层多道焊的整个焊接过程,获得焊接温度场分布,与P92钢焊接温度场实测结果吻合良好,验证了模拟计算的准确性;采用间接法,利用温度场结果计算了P92钢管道环焊缝焊接形成的残余应力场,并重点分析了焊后热处理前后的焊接残余应力变化情况.结果表明,焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力具有明显的消除作用,但不能完全消除,焊缝中依然存在较大的拉伸残余应力.

焊后热处理温度对P92钢焊缝显微组织和力学性能的影响

采用光学金相显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和力学性能测试等方法,研究了焊后热处理温度对P92钢焊缝显微组织和力学性能的影响.结果表明:热处理前P92钢焊缝硬度高、脆性大;随着焊后热处理温度的提高,P92钢焊缝的硬度降低、缺口冲击韧性升高;采用目前的常规热处理恒温时间、焊后热处理恒温温度达到746℃后,焊缝硬度和缺口冲击韧性可以达到母材的力学性能要求;造成P92钢焊缝硬度降低、缺口冲击性能提高的原因是由于板条马氏体基体向等轴亚晶转变、M23C6及MX相的脱溶析出及M23C6的聚集球化和缓慢长大造成的.

P92钢650℃时效的组织性能研究

对P92钢在650℃时效500、1000、3000、10000h试样的微观组织、冲击吸收能量和硬度进行了试验研究,并与原始态的组织性能进行比较。结果表明,P92钢在时效时组织中大量的Laves相沿原奥氏体晶界和马氏体板条界等界面处沉淀析出,且在时效初期即大量析出,析出速度较快,随后减缓,Laves相含量逐渐趋于稳定;Laves相颗粒的粗化速率大大高于沉淀强化相M_(23)C_6;冲击吸收能量随时效时间的增加单调下降,材质脆化;Laves相含量的增加程度与冲击吸收能量的降低程度相一致,两者之间存在对应关系;硬度随时效时间的增加呈下降趋势,但变化不大。

高温时效对P92钢焊接接头显微组织和力学性能的影响

通过光学金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及力学性能试验,研究了高温时效对P92钢焊接接头显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:650℃时效7 000 h后,P92钢焊接接头的室温抗拉强度有小幅下降;P92钢焊缝的时效脆化主要发生在时效初期(1 000 h以内),时效1 000 h后冲击功趋于平稳,基本保持在25 J左右。组织分析认为,P92钢焊接接头时效过程中强度的保持,主要和马氏体基体的稳定存在、M23C6和MX相的缓慢长大有关;焊缝冲击功下降主要是由于粗大的Laves相沿焊缝原柱状晶晶界及马氏体板条束界析出相造成的。

焊接残余应力对P92钢Ⅳ型蠕变开裂的影响

P92钢焊接接头在高温长时服役条件下易于在细晶热影响区(FGHAZ)或临界热影响区(ICHAZ)产生Ⅳ型裂纹.但对于Ⅳ型开裂的机理,至今尚未达成一致认识.为了科学地认识Ⅳ型开裂,文中采用大型有限元软件ABAQUS对P92钢焊接接头的温度场、应力场以及蠕变进行了有限元模拟,并且通过X射线测量试验对残余应力模拟值进行了验证.结果表明,通过温度场模拟,得到了FGHAZ与ICHAZ的准确位置;焊接残余应力最大值集中在FGHAZ和ICHAZ,并且轴向蠕变应变分布规律与焊接残余应力相一致.因此焊接残余应力的集中,是导致焊接接头蠕变应变聚集和Ⅳ型开裂的关键因素之一.

P92钢中拉弗斯相的尺寸测量及其长大规律的动力学模拟计算

拉弗斯相(Laves相)是超超临界机组用新型耐热钢——P92钢的重要析出相之一,对其在扫描电镜下的尺寸测量方法进行介绍,并采用热力学软件计算分析其长大规律。在扫描电镜下形成的背散射图像的原子序数差及二次电子像能够清晰地辨别出Laves相和碳化物(M23C6),这是Laves相测量方法的基础。通过与透射电镜对比,表明扫描电镜是分析Laves相的优先使用的方法。测量了3种P92钢中Laves相颗粒尺寸,研究表明Laves相颗粒尺寸越小,数量越多,材料的抗蠕变性能越好,相同条件下蠕变断裂时间越长。采用热力学计算程序DICTRA进行数值模拟,结果表明,所采用的Laves相长大模型能够很好地模拟Laves相的长大规律,但长时间(650℃、20000h和600℃、50000h)后应采用奥斯特瓦尔德长大规律(Ostwald ripening)来分析Laves相。

超超临界机组P92钢管件的国产化研究

对超超临界机组P92钢管件研制的国内外现状进行了分析,重点介绍了国网北京电力建设研究院电站技术中心在P92钢焊接工艺、热压工艺、热处理工艺方面进行的探索,以及典型管件产品的试制情况和有关验证试验。P92钢管件国产化研究的成功,将改变目前国内超超临界机组P92钢管件单纯依靠进口的局面,应用前景广阔,具有相当可观的经济效益和社会效益。

粉末包埋渗铝与气氛渗铝对P92钢650℃饱和蒸汽氧化行为的影响

表面渗铝技术可以在不改变基体材料力学性能的基础上显著提高基体的抗高温蒸汽氧化性能。利用低温粉末包埋和气氛渗铝两种方法在P92钢表面制备了铝化物涂层,并结合氧化增重法、扫描电镜观察及XRD分析,研究了两种工艺下铝化物涂层的650℃饱和蒸汽氧化行为。结果表明:P92钢抗氧化能力不足,生成了由外层疏松层瘤状富铁氧化物与表面氧化膜下方内氧化物FeCr2O4组成的双层结构氧化膜,外层富铁氧化膜在氧化300 h后发生剥落;低温包埋渗铝所得涂层为β-FeAl层,氧化500 h后试样表面形成极薄的保护性α-Al2O3氧化膜(<0.2μm);气氛渗铝涂层为单层Fe3Al结构,氧化500 h后试样外表面形成了Fe3O4+Fe2O3氧化膜,厚度为1.3μm,靠近涂层表面生成单层连续Al2O3氧化膜。采用低温包埋和气氛渗铝均可提升P92钢的抗蒸汽氧化能力。

P92钢高温拉伸断口形貌的研究

采用热模拟法进行600～1300℃温度区间P92钢的高温拉伸实验。利用SEM,LSCM对不同拉伸温度下的断口形貌及近断口组织进行分析,并对P92钢的力学性能进行研究。结果表明：P92钢拉伸时,抗拉强度由467.32MPa下降到24.32MPa,屈服强度由56.88MPa下降到1.07MPa;不同拉伸温度下,断口表现以韧性断裂为主,韧性与脆性特征共存的现象。在600～900℃时,P92钢发生了动态回复过程,断口形貌表现为韧窝特征。冷却至室温,P92钢近断口处组织均为马氏体＋残余奥氏体组织＋M7C3＋MC＋M23C6＋M6C＋M3C型碳化物。随着温度升高,P92钢发生了动态再结晶,断口形貌以塑孔为主。P92钢近断口处组织为马氏体＋残余奥氏体组织＋MC＋M6C型碳化物。

P92耐热钢物理化学相分析

采用物理化学相分析方法研究了P92耐热钢的回火及时效后碳化物和金属间化合物的析出行为,并通过实验确定了P92钢中析出相的萃取和分离方法、钢中析出相的类型、含量及组成结构式等。研究结果表明,回火态试样中含有M23C6与M(CN)两种析出相,时效100h后,X-ray分析结果出现Laves相。随着时效时间的增加,Laves相也明显增加,且W、Mo含量高的试样在时效后Laves相析出量增加较多,M23C6的析出量增加较少,M(CN)析出相含量变化不大。P92钢在短时间内析出的Laves相有显著的强化效果,在1 000h内增加Laves相析出量能有效提高P92钢室温及600℃下强度。

低温渗铝涂层对P92钢650℃饱和蒸汽氧化行为的影响

利用低温粉末包埋渗法在P92钢服役温度下制备了铝化物涂层,并结合氧化增重法、扫描电镜观察及X射线衍射分析,研究了P92钢及其铝化物涂层在650℃下的饱和蒸汽氧化行为。结果表明:P92钢抗蒸汽氧化性能不足,350 h前氧化动力学遵循抛物线规律,外层疏松层氧化物Fe3O4+Fe2O3与内层氧化物FeCr2O4呈双层结构,氧化700 h后外层氧化膜发生严重剥落;低温包埋渗铝后,试样表面形成保护性Al2O3氧化膜,可显著提升P92钢抗蒸汽氧化性能;Al2O3氧化膜具有较慢的生长速度,因此铝化物涂层的耗损并不是继续形成Al2O3带来的消耗,而是Al向内扩散形成AlN相以及Fe向铝化物涂层扩散形成Fe3Al相,从而降低Al浓度梯度。

回火温度对P92钢焊接接头组织和性能的影响

通过电子拉伸、冲击、显微硬度测试及微观组织分析,研究了P92钢焊接接头在不同焊后回火温度下的组织和力学性能。结果表明,760到820℃焊后回火处理,可有效提高P92钢焊缝的冲击韧性,降低焊缝及热影响区的硬度;760、780、800℃回火后,P92钢焊接接头均可获得良好的组织状态和综合力学性能;考虑到P92管道现场施工中的回火处理温度控制误差,选择780℃作为P92管道的回火温度是合适的。

P92钢时效过程中冲击性能和硬度变化的试验

对P92钢在650℃下进行了长达10 000 h的时效试验,并研究了时效过程中P92钢的冲击性能和硬度的变化.结果表明:P92钢具有一定程度的热时效脆化倾向,时效初期脆化速度较快,时效500 h时冲击吸收能量约下降50%,随后放缓并逐渐趋于稳定;根据冲击吸收能量与回火参数之间的变化关系,推出600℃下母材和焊缝金属的时效脆化特性,在整个设计寿命内,虽然母材发生一定程度的时效脆化,但冲击韧性仍然较高;焊缝金属在600℃运行5 000 h时即发生很大程度的脆化,冲击韧性较低;P92钢的硬度随时效时间的增加呈下降趋势,但变化不明显.