高温高压极端环境下P91和P92管道组织性能及老化损伤评价

作     者：夏锦炎 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭凯;张志明

授予年度：2024年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：长期服役 马氏体耐热钢 微观组织 力学性能 高温氧化 

摘      要：T/P91钢和T/P92钢作为9-12%Cr马氏体耐热钢的代表钢种被广泛应用于超（超）临界火电机组的高温承压部件,在服役过程中,会发生组织结构变化以及高温氧化腐蚀,使材料的服役性能发生改变,影响机组的安全运行。目前,马氏体耐热钢在高温下的组织演变和高温氧化机理已经做了大量的研究工作,但是由于绝大部分是基于实验室条件模拟服役环境进行的短期加速测试,而有关实际工况条件下长期服役后的研究结果极为稀少。本文以服役66000～68000小时的P91钢为主要研究对象,旨在从微纳尺度观察P91钢在高温高压极端环境下长期服役前后的组织变化,分析和讨论P91钢的组织老化机理与性能劣化的关系以及高温氧化机理,并以此为基础评估P92钢未来的服役性能,以期为超（超）临界火电机组的材料选用和服役性能评估提供科学依据。主要研究内容和结果如下: 首先,利用多种表征手段详细地对服役前后P91钢的化学成分、微观组织结构以及力学性能进行测试。服役前后,P91钢的基体组织均由马氏体板条和析出相组成。经长期服役后,马氏体板条内位错密度下降,“Y型板条边界数量减少,部分马氏体板条变宽;服役后的P91钢基体组织中有富Mo的Laves相析出并且观察到富Cr的M23C6相出现粗化聚集;经统计,基体中析出相的面积分数增加3.06%,而析出相数量减少28.1%,并且平均尺寸在50-100 nm区间的析出相数量占比增大而平均尺寸在50nm以下的数量占比减小。长期服役后的P91钢的平均显微硬度比服役前的P91钢要低20.70 HV0.5。这一系列的组织演变是引起P91钢显微硬度下降的原因。 其次,对长期服役后P91钢内壁（蒸汽侧）氧化膜各层的组织进行详细的表征。服役后的P91钢内壁氧化膜由内氧化区、氧化层内层以及氧化层外层三层组织构成,内氧化区由基体组织和富Cr尖晶石混合组成,氧化层内层由Fe-Cr尖晶石和Fe3O4组成且内侧组织有大量小尺寸的孔隙,氧化层外层由尺寸较大的Fe3O4柱状晶及其根部碎化的Fe3O4晶粒构成。内氧化区主要是由O通过晶界向内扩散并优先氧化晶界附近的析出相和基体所形成;氧化层内层是内氧化区进一步完全氧化形成的连续氧化层;氧化层外层是由内氧化区和氧化层内层的Fe向外扩散形成的。 最后,对服役前P92钢的化学成分、微观组织结构以及力学性能进行详细地表征测试。服役前P92钢具有与服役前P91钢相似的组织特征。但是,P92钢具有更大尺寸的马氏体板条长度,服役前P92钢的平均显微硬度比服役前P91钢高出6.4 HV0.5。由于P92钢中添加了硼（B）和钨（W）,增强了晶界强化和固溶强化的效果,在未来的服役过程中,P92钢将表现出比P91钢更好的服役性能。