{首页主词},&

長期服役后末級再熱器12Cr1MoVG鋼管的組織性能和剩余壽命評估

2021-12-22 16:12:22 作者：理化檢驗物理分冊來源：理化檢驗物理分冊分享至：

12Cr1MoVG鋼是一種具有良好抗高溫蠕變性能、耐高溫腐蝕和抗氧化性能的合金鋼，廣泛應用于電廠鍋爐主蒸汽管、過熱器管和再熱器管，其供貨狀態(tài)為正火+ 回火態(tài)，組織為鐵素體+ 貝氏體。由于該材料長期服役于高溫環(huán)境中易發(fā)生珠光體球化、碳化物沿鐵素體晶界析出和粗化，導致材料使用性能下降，嚴重時會危害鍋爐部件的安全。張彥文等研究了火電廠用12Cr1MoVG鋼管在使用過程中發(fā)生早期爆管失效的原因，研究表明：鋼管受腐蝕介質(zhì)影響，內(nèi)壁發(fā)生減薄，出現(xiàn)蠕變孔洞，進而發(fā)生爆管。楊濱等研究了火電廠用12Cr1MoV鋼主蒸汽管道長期服役后的組織性能變化，結果表明：材料組織發(fā)生了明顯的珠光體球化，碳化物和晶粒長大，高溫屈服強度和抗拉強度也明顯下降。YAN等采用掃描電鏡原位拉伸試驗，研究了服役20000h和200000h后的12Cr1MoVG鋼的組織性能，結果表明：材料均發(fā)生了珠光體球化，碳化物沿晶界析出，材料斷裂性能下降。

來自河南農(nóng)業(yè)大學、武漢大學、中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院的劉泰然、張一可等研究人員以某發(fā)電廠300MW火電機組鍋爐末級再熱器12Cr1MoVG鋼管為研究對象，該設備已累計運行超過1×105h，在運行期間的幾次維修中，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)12Cr1MoVG鋼的顯微組織已發(fā)生珠光體球化，為了評估機組的安全狀態(tài)，對該末級再熱器鋼管進行組織觀察、性能分析以及壽命評估，以期為12Cr1MoVG鋼的應用提供更多參考。

01 試驗材料與方法

試驗材料取自服役時間超過1×105h的鍋爐末級再熱器管道，材料為12Cr1MoVG鋼。在第22排最外圈（編號為A22）、第39排最外圈（編號為A39）和最內(nèi)圈（編號為B39）、第55排最外圈（編號為A55）管道截取試樣，分別在管道向火側和背火側取金相試樣和室溫拉伸試樣，取樣部位如圖1所示，拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖1 拉伸試樣取樣部位

圖2 拉伸試樣尺寸

宏觀觀察管道內(nèi)外壁的表面狀態(tài)，測量管道內(nèi)外壁氧化膜厚度和有效壁厚，采用合金分析儀測定管道的化學成分。采用維氏硬度計測量管道向火側和背火側內(nèi)外壁的維氏硬度。采用電子萬能試驗機測定試樣的室溫拉伸性能，并進行強度校核。采用金相顯微鏡和場發(fā)射掃描電鏡（SEM）分析材料的珠光體組織形態(tài)、蠕變孔洞，評估珠光體球化級別和蠕變狀態(tài)，結合能譜儀（EDS）的分析結果，分析組織的老化狀態(tài)。

02 結果與討論

2.1 氧化層厚度檢測

再熱器管道的實測尺寸結果如表1所示。

表1 再熱器管道的實測尺寸

由表1可知：只有A39管道的全壁厚度是負偏差，其余管道均為正偏差；只有B39管道的金屬壁厚未發(fā)生減薄，A55管道的內(nèi)外壁氧化膜總厚度超過450μm，這表明再熱器管道在工作時出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，管道在超溫環(huán)境中，氧化劇烈，導致氧化膜厚度過厚。

2.2 化學成分分析

根據(jù)再熱器管道的化學成分分析結果可知，服役超過1×105h后，各管道的化學成分符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoVG鋼的技術要求，表明材料未發(fā)生顯著的元素貧化。

2.3 力學性能試驗及強度校核

2.3.1 力學性能試驗

為評估材料的性能，從每個管道的背火側和向火側各取兩個試樣，在試驗機上進行室溫拉伸試驗，試驗溫度為24℃，取兩個試樣實測結果的平均值。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術監(jiān)督規(guī)程》，對試樣進行硬度試驗，室溫拉伸試驗和維氏硬度測試結果見表2。

表2 再熱器管道的室溫拉伸性能和維氏硬度

由表2可見，末級再熱器管道服役超過1×105h后，各管道硬度值均符合DL/T 438—2016的技術要求，其抗拉強度、屈服強度和延伸率仍滿足GB/T 5310—2017對12Cr1MoV鋼的技術要求。

2.3.2 強度校核

為評估材料的運行狀態(tài)，參照DL/T 654—2009《火電機組壽命評估技術導則》的推薦公式，計算材料的運行當量溫度和環(huán)向應力。材料環(huán)向應力計算公式如式（1）所示。

管壁運行當量溫度和內(nèi)壁氧化膜厚度滿足式（2）。

12Cr1MoV 鋼管的額定蒸汽工作壓力為17.47MPa，在進行強度校核時，對實測金屬壁厚進行環(huán)向應力計算，計算結果如表3所示。

表3 再熱器管道的管壁運行當量溫度和運行應力

由表3可見，各再熱器管道的環(huán)向應力均低于GB/T 16507.2—2013《水管鍋爐》標準中規(guī)定的12Cr1MoVG鋼管的許用應力，強度校核合格，管道處于應力安全狀態(tài)。

2.4 顯微組織觀察及珠光體球化評級

根據(jù)DL/T 773—2016 《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》，對各管道的向火面和背火面的顯微組織進行觀察，結果如圖3所示，并對各管道的顯微組織進行珠光體球化評定。

圖3 再熱器各管道不同位置處的顯微組織

由圖3可知：A55管道的珠光體球化程度最為嚴重，珠光體球化程度達到4級及以上，一些區(qū)域珠光體形態(tài)已完全消失，晶內(nèi)碳化物顯著減少；其余管道的珠光體球化程度為3~4級，片層狀珠光體區(qū)域已顯著分散，仍保留原有的形態(tài)。

2.5 掃描電鏡及能譜分析

圖4 再熱器各管道不同位置處的SEM形貌

由圖4可知：A55管道珠光體球化程度達到4級及以上，僅有少許片層狀珠光體，晶內(nèi)碳化物較少，呈點狀分布，晶界碳化物較多，顆粒較大，沿晶界呈不連續(xù)鏈狀、條狀分布，說明珠光體中的碳化物已經(jīng)向晶界大量轉移，珠光體球化基本完成；其余管道的珠光體球化程度為3~4級，仍可見保留原珠光體特征的晶粒，片狀碳化物已經(jīng)聚集長大呈現(xiàn)短條狀、點狀特征，導致珠光體層片狀特征消失，晶界析出較多碳化物。SEM 分析結果表明，各管道晶界均有碳化物析出，未見蠕變孔洞，無需進行蠕變評級，因此管道不會形成蠕變破壞，能夠繼續(xù)安全運行。

表4 再熱器各管道晶界析出相和基體的EDS分析結果

由表4可知：晶界析出相中均含有鉻，其質(zhì)量分數(shù)最高達到14.73%，而基體內(nèi)的鉻含量均較低，說明基體中的鉻已向晶界大量轉移形成碳化物；部分管道晶界析出相中含鉬，基體中鉬含量較低，說明基體中的大部分鉬都已轉移到晶界，由于鉬含量較低，部分晶界析出相中未能檢測到鉬，說明鉬元素已產(chǎn)生了顯著的再分配；晶界碳化物含有較多錳，說明錳元素也從基體向晶界處轉移；釩含量在晶界和晶內(nèi)均較為穩(wěn)定，晶界處檢測出的釩是熱處理過程中析出的。基體中的鉬、鉻、錳都是可提高材料熱強性的合金元素，大量的合金元素從基體向晶界碳化物中的再分配，致使材料的熱強性顯著下降。

2.6 剩余壽命評估

為分析材料的剩余使用壽命，采用參數(shù)外推法進行評估。當已知管壁的運行當量溫度、應力，即可通過公式（3）估算管道的剩余使用壽命（即斷裂時間）。

管壁運行當量溫度由公式（3）計算得出，結果如表5所示。由表5可知，再熱器管道的剩余使用壽命均超過100000h，材料整體處于較為安全的狀態(tài)。

表5 再熱器管道的剩余使用壽命

03 結論

（1）再熱器管道的化學成分均符合技術要求，力學性能均滿足國家標準要求，強度校核合格，管道處于應力安全狀態(tài)。

（2）再熱器管道珠光體球化級別處于3~4級，合金元素產(chǎn)生了明顯的再分配現(xiàn)象，固溶合金元素貧化明顯。未觀察到蠕變孔洞，蠕變處于穩(wěn)定的第二階段。根據(jù)氧化膜厚度計算得到的管壁運行當量溫度超過額定蒸汽溫度（541℃），存在超溫現(xiàn)象，但是未超過12Cr1MoV鋼的最高使用溫度（580℃），處于安全溫度范圍。根據(jù)氧化膜厚度估算的再熱器管道的剩余使用壽命均超過100000h。

免責聲明：本網(wǎng)站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。