P92钢的材料特性及典型失效案例

第第页共121页附件2P92钢的材料特性及典型失效案例一、P92钢的材料特性20世纪90年代，日本在T/P91钢的基础上经过改进，开发出了以9Cr-0.5Mo-2W为主要成分的NF616钢，1995年纳入ASMESA-213和ASMESA-335规范，并命名为T92/P92。T92/P92钢在GB/T5310中定名为10Cr9MoW2VNbBN。（一）P92钢的化学成分及显微组织P92钢含有9%Cr、1.8%W、0.5%Mo、少量的V和Ni、微量的B和N，经正火加回火热处理，具有回火马氏体组织或保持马氏体位向的索氏体组织。P92钢在P91钢的基础上加入W替代部分Mo，提高了Mo当量的前提下避免了过高的Mo形成较多的δ铁素体，W、Mo复合固溶强化有效提升了高温蠕变强度；添加微量B可以提高淬透性和净化晶界，提高钢的硬度和晶界强度，从而大幅提高高温蠕变强度。根据化学成分和加热速率的变化，P92钢的Ac1温度为800~835℃，Ac3为900~920℃，Ms温度为370~400℃，Mf温度约为100℃。表1为相关标准推荐的P92钢管的热处理工艺。在合适的正火温度下可使大部分碳化物溶解而晶粒并不长大，经过充分的回火使碳化物在马氏体组织中均匀析出，获得最佳的蠕变强度。表1P92钢管的热处理工艺标准/公司正火温度（℃）回火温度（℃）ASMESA-335-20191040~1080730~800V&M钢管公司1040~1080750~780GB/T5310-20171040~1080760~790经合格的热处理，P92组织应为单一的回火马氏体。图1为P92钢正火加回火后的典型显微组织。由图可见，P92钢组织为板条马氏体，板条内部有高密度位错，晶界和板条界存在大量的尺寸较大的M23C6碳化物，板条内部存在尺寸细小的MX型碳氮化物。（a）光学显微镜下形貌（b）扫描电子显微镜下形貌（c）透射电子显微镜下形貌图1P92钢的典型显微组织（二）P92钢的室温力学性能表2为P92钢室温力学性能。ASMESA-335标准中未规定P92钢硬度的下限值，GB/T5310则规定P92钢管的硬度应不低于185HB。表2P92钢室温力学性能标准Rm(MPa)Rp0.2(MPa)A(%)KV2(J)硬度纵向横向纵向横向HBHVASMESA-335-2019≥620≥4402013——≤250≤265GB/T5310-2017≥620≥44020164027185~250185~260（三）P92钢的许用应力表3列出了ASMECodeCase2179-8中给出的P92钢的许用应力。表3P92钢的许用应力（MPa）温度（℃）400425450475500525550575600625650许用应力15114814414013512912399.577.056.538.3（四）92钢的焊缝减弱系数日本中央电力工业研究所MasatsuguYaguchi（马萨松古·雅古奇）于ASME2012压力容器和管道会议上发表了《EVALUATIONOFLONG-TERMCREEPSTRENGTHOFWELDEDJOINTSOFASMEGRADES91,92AND122TYPESTEELS》（ASME91、92和122级钢焊接接头长期蠕变强度的评定）文章，文中给出了Grade92钢焊接接头的蠕变强度折减系数。P92钢在600℃服役时，折减系数为0.62，在620℃时约为0.55。文章结论认为，通过与母材许用应力的比较，应确定焊缝强度折减系数作为设计准则。表491、92和122钢的焊缝减弱系数（五）高温运行对P92钢显微组织和力学性能的影响P92钢服役过程中主要的析出相为M23C6型碳化物、Laves相和MX型碳氮化物。结果表明，随着服役时间的延长，M23C6和Laves相的尺寸增大，但Laves相的长大速率大于M23C6，MX碳氮化物的尺寸基本不变。随着服役时间的延长，位错密度先显著降低，后趋于稳定。高温和室温下的拉伸性能先劣化，后趋于稳定。在服役初期，P92钢的高温强度主要受板条和位错强化的影响；随着服役时间的延长，强化机制转变为板条和沉淀强化为主导。时效对P92钢组织稳定性和力学性能有一定的影响。研究表明，时效过程中，经过一段孕育期后马氏体板条的宽度开始增加，亚晶界的回复受到晶界M23C6、MX相钉扎作用的控制。Laves相在时效初期形核并快速长大，随着时效时间的延长，M23C6和Laves相在亚晶界持续长大，Laves相的粗化速率远高于M23C6相，而MX相具有相当高的稳定性。时效过程中，抗拉强度、屈服强度、断面伸长率以及冲击韧性在初期均略微升高，随后在500~11000h过程中持续降低。硬度随时效时间延长持续下降。拉伸性能和冲击韧性在较短时间内的下降主要取决于Laves相长大和粗化导致的弥散强化效果的损失，而长时时效过程力学性能的退化则取决于亚晶界强化、弥散强化、固溶强化效果的损失的综合作用。P92钢中δ铁素体对时效过程洪析出M23C6及Laves相有影响，在时效过程中，δ铁素体的存在促进了M23C6及Laves沿δ铁素体的界面析出，发生聚集与粗化，并为该过程提供Cr、Mo和W；在无δ铁素体的P92钢管样中，不同温度下，M23C6体积分数随时效时间的变化速率不同，在有δ铁素体的P92钢管样中，温度降低促进了Laves体积分数的增加，升高温度有利于M23C6体积分数的增加。研究两炉δ-铁素体含量不同的P92钢中的Laves相长大规律。结果表明，在时效状态下，δ-铁素体内也有Laves相析出，其尺寸显著大于马氏体基体中的Laves相；δ-铁素体含量越高，δ-铁素体内的Laves相尺寸与增长速度越大，δ-铁素体含量对马氏体基体中的Laves相尺寸影响不大。二、P92钢焊接接头典型失效模式（一）焊接接头的区域划分及失效分类熔焊时在集中热源的作用下，管道焊缝两侧发生组织和性能变化的区域称为“热影响区”（HeatAffectedZone，简称HAZ）。焊接接头是由焊缝和焊接热影响区两个主要部分组成。根据经历的焊接热循环峰值温度不同可以将焊接热影响区分为四个亚区，如图2所示。根据峰值温度从高到低依次为粗晶粒热影响区（CGHAZ）、细晶粒热影响区（FGHAZ）、临界区（ICHAZ）和过回火区。图2焊接热影响区亚区示意图及对应的平衡相图1974年，Schüller等将耐热钢焊接接头中观察到的开裂形式进行归类，按照开裂的位置及扩展形式分为4类，如图3所示。在焊缝形成且扩展止于焊缝的裂纹称为I型裂纹，在焊缝形成并扩展至热影响区或母材的裂纹称为II型裂纹，在熔合线附近的粗晶区形成并在粗晶区扩展或扩展至母材的裂纹称为III型裂纹，在细晶区或临界区形成并扩展的裂纹称为IV型裂纹。图3耐热钢焊件中裂纹类型示意图（二）P92焊接接头的典型失效案例1.案例1开裂焊口位于炉前52米标高Y型三通上部的直管与弯头之间。裂纹位于该焊口下侧热影响区的细晶区（软化带），在弯头背弧侧沿焊口边缘环向开裂，裂纹表面长度约400mm，累计运行约54000小时。如图4：图4案例1裂纹形貌经过充分分析讨论，与会人员一致认为焊口热影响区软化带开裂的主要原因是焊接线能量输入过大（软化带较宽）、膨胀弯曲应力和结构应力相互叠加，共同作用的结果。2.案例2缺陷1焊口沿熔合线开裂，从外壁向内部延伸，位于下半圈3点至9点之间，裂纹长度接近管道焊口整圈长度的二分之一，长度约540mm，其中最下侧6点钟部位开度最大，贯穿长度约50mm。通过试验室分析，裂纹位于热影响区的细晶区，由内向外扩展，该处马氏体组织及位相已消失，为铁素体+粗大碳化物，主裂纹周边有大量蠕变孔洞，这些蠕变孔洞逐渐连接在一起形成微裂纹，裂纹沿蠕变孔洞扩展成宏观裂纹，为典型的IV型裂纹。如图5：图5案例2缺陷1裂纹形貌缺陷2位于2号主蒸汽水平母管与垂直母管弯头处，超声检测显示，内部存在一处面状缺陷，位于7点至8点钟位置，长度约150mm，深度约20mm，距离管道外表面约5mm，通过取样试验室分析，为Ⅳ型开裂。如图6：图6案例2缺陷2裂纹形貌管道原始焊缝层间宽度超过焊缝表面宽度的主要原因是焊接电流偏大、焊接摆动大，焊接电流越大、焊接熔池越深，将坡口母材溶化的越多，从而造成焊口层间宽度增大，为保证焊口外表面美观，避免咬边缺陷，盖面焊接通常会选用小电流，表面坡口的宽度变化不大。初步判断机组主汽管道焊口缺陷产生的原因是由于焊接电流偏大，焊接温度偏低，热处理效果不佳造成焊缝组织韧塑性较差，强度降低，不足以承受管系应力变化，引起焊口开裂或缺陷扩展。3.案例3开裂主蒸汽管道设计温度600℃，设计压力25MPa，管道规格Φ559×102mm，弯头规格为Φ558×95mm，运行时间为80000小时。外壁裂纹沿直管侧焊缝熔合线周向扩展，全长1000mm以上，裂纹表面平直，未发现撕裂特征。如图7：图7案例3裂纹形貌此次主蒸汽管道开裂主要是由于在管道外弧侧受到弯曲载荷，同时，在该区域热影响区细晶区正好存在Ⅳ型裂纹，两种因素共同作用最终导致主蒸汽管道失效开裂。（三）P92焊接接头的IV型开裂特征调查P92蒸汽管道发生IV型开裂的案例，发现具有以下几个特征：（1）发生开裂的位置均为管道弯头处焊接接头；（2）开裂位置的焊缝均经历过返修；（3）开裂时间均远短于机组的设计寿命。图8为某电厂P92主蒸汽管道IV型开裂图片。可以看到，发生开裂的位置为主蒸汽管道某弯头水平段，裂纹位于热影响区细晶区。图8主蒸汽管道P92钢焊接接头早期开裂宏观图片试验研究了埋弧焊制备的P92钢焊接接头在650℃下的蠕变断裂行为。结果表明，随着应力的降低，断裂时间延长，断裂部位和机制均发生明显改变；在高应力（大于120MPa）下，试样断裂于焊缝，断裂部位有明显的颈缩，为塑性断裂；当应力低于120MPa时，断裂位置由焊缝转移到细晶区，断裂部位得到变形很小，呈脆性断裂特征。对IV型裂纹的进一步研究发现，发生IV型开裂的P92焊接接头细晶区的硬度最低，且随着蠕变时间的延长，热影响区的硬度梯度