P92耐熱鋼具有較高的高溫持久強度，良好的耐腐蝕性能和導(dǎo)熱性能，廣泛用于制造超超臨界機組的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等設(shè)備。P92耐熱鋼是基于P91鋼優(yōu)化改進(jìn)后的產(chǎn)品，具有比P91鋼更高的持久蠕變強度。然而，在服役過程中，耐熱鋼管道長期經(jīng)受高溫和高壓等苛刻條件的作用，其組織和性能會發(fā)生不同程度的老化和退化，如析出相(M23C6相、Laves相、MX相等) 的析出與粗化、板條的寬化，以及位錯的回復(fù)與湮滅等，從而影響機組的安全運行。其中析出相的析出與粗化是P92鋼服役過程中微觀結(jié)構(gòu)最顯著的變化，同時也是對P92鋼力學(xué)性能影響最大的因素。
為保障機組的安全運行，通常需定期或按需開展取樣試驗，以獲取P92鋼材料部件的服役性能，評估材料的老化狀況。而常規(guī)的取樣試驗存在破壞試驗材料、試驗周期長、成本高等問題，此外，停機取樣還會顯著影響電廠的經(jīng)濟效益。因此，開發(fā)適用于P92鋼服役性能測試的無損檢測技術(shù)是業(yè)界研究的熱點。磁巴克豪森噪聲（MBN）檢測技術(shù)屬于電磁無損檢測技術(shù)，具有對材料微觀缺陷、微結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)敏感的特點，是潛在的適用于鐵磁材料老化狀態(tài)評估的無損檢測技術(shù)。此外MBN檢測技術(shù)還具有測試便捷、成本低、易實現(xiàn)在線監(jiān)測等特性，目前在金屬表面熱處理損傷、疲勞損傷、殘余應(yīng)力檢測等領(lǐng)域已有應(yīng)用案例。P92鋼屬于鐵磁性材料，因此采用MBN檢測技術(shù)評估P92耐熱鋼的老化狀態(tài)有望成為一種新的方法和途徑。研究人員以實際超超臨界機組不同服役狀態(tài)的主蒸汽管道P92鋼為研究對象，使用MBN檢測儀系統(tǒng)地研究不同服役狀態(tài)下P92鋼的MBN信號變化規(guī)律，探索MBN信號與析出相和力學(xué)性能之間的影響機制，為P92鋼老化狀態(tài)的MBN檢測技術(shù)提供理論支持。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
試驗材料為P92耐熱鋼，供貨態(tài)熱處理工藝為1060℃正火，隨后在760℃高溫回火。材料取自某2007年投產(chǎn)的超超臨界機組主蒸汽管道，該部件的實際運行溫度為605°C，運行壓力為26.15MPa。
除了初始狀態(tài)外，分別選取服役時間為30000，49000，70000，93000h的材料，其化學(xué)成分如表1所示。
1.2 MBN信號檢測
采用自主開發(fā)的MBN信號檢測儀對P92耐熱鋼進(jìn)行MBN信號測試。測試試樣取自高溫拉伸試樣的夾持端。MBN檢測儀的硬件包括信號發(fā)生器、檢測線圈、調(diào)理電路等（見圖1）。試驗設(shè)定的激勵電壓幅值和頻率分別為2V和8Hz，并分別提取MBN信號常用的兩個特征值，即均方根（RMS）和峰峰值（Vp-p），對試樣進(jìn)行表征。
1.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察和高溫拉伸測試
采用線切割的方式將不同服役狀態(tài)的P92鋼加工成尺寸為（長度×寬度×厚度）10mm×10mm× 3mm的薄片試樣，試樣經(jīng)砂紙打磨后采用高氯酸乙醇溶液進(jìn)行電解拋光。使用光學(xué)顯微鏡和背散射電子顯微鏡（BSE）對拋光后的試樣進(jìn)行觀察。
采用線切割的方式在不同服役狀態(tài)下P92鋼的截面切取直徑為10mm的圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，依據(jù)GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》，用萬能材料試驗機對試樣進(jìn)行610℃高溫拉伸試驗。
2 試驗結(jié)果
圖2為不同服役狀態(tài)下P92鋼MBN信號特征值變化曲線，MBN信號特征值以初始態(tài)為基準(zhǔn)（100%）進(jìn)行歸一化處理。由圖2可知：P92鋼服役過程中MBN信號特征值RMS和Vp-p變化趨勢基本一致，在服役30000h時，RMS和Vp-p略有降低，之后隨著服役時間的延長而快速增大，RMS和Vp-p總體呈升高的趨勢。
圖3為不同服役狀態(tài)下P92鋼的顯微組織形貌。由圖3可知：P92鋼原始組織為典型的回火馬氏體，在原奧氏體晶界、馬氏體板條界面和馬氏體板條內(nèi)可觀察到彌散分布的顆粒；隨著服役時間的延長，P92鋼的基體組織并未發(fā)生顯著變化，仍為回火馬氏體，但是在原奧氏體晶界、馬氏體板條邊界等界面上，析出相出現(xiàn)了顯著的粗化現(xiàn)象，析出相逐漸增多。
圖4為不同服役狀態(tài)下P92 鋼的BSE 形貌。由圖4可知：隨著服役時間的延長，P92鋼中的析出相除了原有的M23C6相和MX相外，還出現(xiàn)了Laves相，其中MX相尺寸較小，約為50nm，遠(yuǎn)小于M23C6相和Laves相的尺寸，且在服役過程中MX相尺寸穩(wěn)定，對材料的性能影響較小；P92鋼中M23C6相的主要成分為Cr23C6，呈灰色，而Laves相的主要成分為Fe2W，W元素的原子序數(shù)遠(yuǎn)大于Cr 元素，因此Laves相的亮度較M23C6相高，呈白色；初始態(tài)下P92鋼基體中未見析出相，而在晶界或板條界等位錯界面上存在大量的M23C6相，但未觀察到白色的Laves相；隨著服役時間的延長，P92鋼晶界等位錯界面上除了存在灰色的M23C6相外，還存在亮白色的Laves相，位錯界面上的Laves相比例明顯高于M23C6 相，且M23C6相和Laves相都發(fā)生了顯著的粗化。
圖5為不同服役狀態(tài)下P92鋼Laves相尺寸統(tǒng)計結(jié)果。由圖5可知：隨著服役時間的延長，Laves相平均尺寸由270nm增加至370nm。
圖6為不同服役狀態(tài)下P92鋼的高溫拉伸試驗結(jié)果。由圖6可知：在高溫條件下，P92鋼的抗拉強度隨著服役時間的延長而降低，初始態(tài)至30000h階段，拉伸性能顯著下降，之后緩慢下降。
3 綜合分析
鐵磁材料內(nèi)部由無數(shù)磁疇組成，在外加磁場的作用下，材料通過磁疇壁的移動完成磁化。而磁疇壁位移是不連續(xù)的，此時如將檢測線圈置于鐵磁材料表面，則會接收到一定功率譜分布的微弱噪聲電信號，即為MBN信號。材料內(nèi)部的晶體缺陷與磁疇壁存在強烈的交互作用，將影響MBN信號的強弱。因此，在P92鋼服役過程中，MBN信號的變化與其微觀結(jié)構(gòu)演化存在關(guān)聯(lián)性。
在P92鋼服役過程中，MBN信號特征值總體呈升高趨勢，該結(jié)果與文獻(xiàn)報道一致。初始態(tài)至30000h時，MBN信號特征值基本保持不變，甚至略有降低，隨著服役時間的延長，MBN信號特征值快速升高，服役至93000h時，RMS和Vp-p 分別較初始態(tài)升高約30%和13%。表明MBN信號對P92鋼服役過程的狀態(tài)變化非常敏感，且RMS和Vp-p是更為靈敏的特征值。
析出相強化是P92鋼的主要強化機制之一。服役過程中，微觀結(jié)構(gòu)最顯著的變化表現(xiàn)為析出相的析出與粗化，該變化對P92鋼的力學(xué)性能影響較大。P92鋼初始態(tài)基體組織為典型的回火馬氏體，同時析出相在界面上彌散分布。隨著服役時間的延長，其基體組織并未發(fā)生顯著變化，但析出相明顯發(fā)生析出和粗化。P92鋼的晶界或板條界在服役至30000h時出現(xiàn)了Laves相，且隨著服役時間的延長，Laves相快速長大粗化，服役至93000h 時，位錯界面上的Laves相比例明顯高于原本就存在的M23C6相。
在相同外部激勵參數(shù)條件下，MBN 信號強弱取決于給定時間內(nèi)磁疇壁運動的數(shù)量和平均自由程。初始態(tài)P92鋼的M23C6相處于彌散分布狀態(tài)，彌散分布的M23C6相還會顯著減小磁疇壁位移的平均自由程，上述機制都將減弱MBN 信號，導(dǎo)致初始態(tài)P92鋼的MBN信號特征值相對較小。隨著服役時間的延長，M23C6相的持續(xù)粗化會減弱對磁疇壁釘扎作用，同時增大磁疇壁位移平均自由程，從而促進(jìn)MBN信號升高。但在初始態(tài)至服役30000h階段，MBN信號變化并不顯著，因為新增的Laves相初期也作為釘扎點阻礙磁疇壁的移動，從而抑制了MBN信號的升高。隨著服役時間的延長，Laves相快速粗化，對磁疇壁釘扎作用也隨之減弱，MBN信號又開始升高。因此，Laves相對P92鋼服役過程MBN信號變化起了主導(dǎo)作用。Laves相的尺寸與MBN信號整體呈正相關(guān)的關(guān)系（見圖7）。服役過程中，P92鋼產(chǎn)生的亞結(jié)構(gòu)演化，包括晶格畸變程度降低、馬氏體板條內(nèi)部位錯的回復(fù)湮滅等因素將導(dǎo)致磁疇的長大和數(shù)量的減少，促使MBN 信號降低，在以上機制的共同作用下，最終表現(xiàn)為服役30000h時，MBN信號較初始態(tài)變化不顯著。
P92鋼高溫拉伸性能在服役30000h 后顯著下降，隨后進(jìn)入緩慢下降階段。P92鋼服役過程中力學(xué)性能降低的主要原因為析出相的進(jìn)一步析出和粗化。P92鋼服役過程產(chǎn)生的析出相（M23C6相和Laves相）尺寸均超過了切過機制臨界尺寸，因此析出相強化機制主要為Orowan 的位錯繞過機制，而析出相尺寸越小，強化效果越顯著，最終隨著析出相尺寸的不斷增大，材料強度逐漸降低。
在服役初期，Laves相的尺寸較小，細(xì)小Laves相對位錯的釘扎效應(yīng)可以有效阻礙馬氏體板條等亞晶界的遷移，提高材料的強度；隨著服役時間的延長，Laves相逐漸長大，W等元素從基體向Laves相擴散，削弱了P92耐熱鋼的固溶強化效果。同時，粗大的Laves相的位置在P92 鋼晶界滑移過程中成為孔洞形核的位置。在外力作用下，Laves相附近的基體發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致蠕變性能下降。服役狀態(tài)P92鋼Laves相的平均尺寸約為270nm，顯著高于Laves相強化作用的極限值（130nm）。研究表明，當(dāng)Laves相的平均尺寸超過130nm時，材料會發(fā)生從韌性到脆性的轉(zhuǎn)變。此外，大塊狀Laves相是導(dǎo)致材料塑性高、強度低的重要原因。因此，P92鋼服役后Laves相的顯著長大引起材料性能的劣化。
綜上可知，隨著服役過程材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，P92鋼的磁性能和力學(xué)性能均發(fā)生了顯著變化，但磁性能和力學(xué)性能發(fā)生顯著變化的時段存在差異，其中MBN信號在服役30000h后開始發(fā)生顯著變化，而力學(xué)性能則在服役30000h前就開始發(fā)生顯著變化。為了進(jìn)一步研究MBN信號與材料高溫力學(xué)性能之間的關(guān)系，建立P92鋼MBN信號特征值和高溫抗拉強度關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：隨著服役過程材料的抗拉強度降低，對應(yīng)MBN信號發(fā)生了顯著變化，服役時間較長時，材料的力學(xué)性能變化較小，MBN信號變化較大。
結(jié)合機組的實際檢測和評估需求，服役到中后期時更加需要關(guān)注管道和設(shè)備的狀態(tài)。因此，通過MBN信號的監(jiān)測，一定程度上可以更靈敏地反映材料服役過程中力學(xué)性能的變化，對P92鋼后期長時間服役狀態(tài)評估具有重要意義。
4 結(jié)論
（1）MBN信號對P92鋼服役過程較為敏感，特別是服役時間超過30000h 后，信號特征值顯著升高，而RMS和Vp-p是更為靈敏的信號特征值。
（2）P92鋼服役過程中析出相，特別是Laves相的析出和粗化，導(dǎo)致其作為釘扎點阻礙了磁疇壁的移動，以及限制磁疇壁位移平均自由程的能力發(fā)生變化。Laves相尺寸變化是MBN信號變化的主要原因。
（3）MBN信號可以靈敏地反映材料宏觀力學(xué)性能的變化，同時也證實了MBN檢測技術(shù)用于P92鋼服役過程老化狀態(tài)檢測的潛力。
作者：錢王潔，劉向兵，金 曉，徐超亮，李遠(yuǎn)飛，賈文清，尹建，全琪煒，武煥春
單位：1. 蘇州熱工研究院有限公司 材料工程技術(shù)中心；
2.國家核電廠安全及可靠性工程技術(shù)研究中心
來源：《理化檢驗-物理分冊》2025年第10期
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