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長(zhǎng)期服役后末級(jí)再熱器12Cr1MoVG鋼管的組織性能和剩余壽命評(píng)估

2021-12-24 16:17:09 作者：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 來源：理化檢驗(yàn)物理分冊(cè) 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(yīng)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(zhǎng)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(dǎo)致材料使用性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jìn)而發(fā)生爆管。楊濱等研究了火電廠用12Cr1MoV鋼主蒸汽管道長(zhǎng)期服役后的組織性能變化，結(jié)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(zhǎng)大，高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也明顯下降。YAN等采用掃描電鏡原位拉伸試驗(yàn)，研究了服役20000h和200000h后的12Cr1MoVG鋼的組織性能，結(jié)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(xué)、武漢大學(xué)、中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華中電力試驗(yàn)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(jī)組鍋爐末級(jí)再熱器12Cr1MoVG鋼管為研究對(duì)象，該設(shè)備已累計(jì)運(yùn)行超過1×105h，在運(yùn)行期間的幾次維修中，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)12Cr1MoVG鋼的顯微組織已發(fā)生珠光體球化，為了評(píng)估機(jī)組的安全狀態(tài)，對(duì)該末級(jí)再熱器鋼管進(jìn)行組織觀察、性能分析以及壽命評(píng)估，以期為12Cr1MoVG鋼的應(yīng)用提供更多參考。

01 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料取自服役時(shí)間超過1×105h的鍋爐末級(jí)再熱器管道，材料為12Cr1MoVG鋼。在第22排最外圈（編號(hào)為A22）、第39排最外圈（編號(hào)為A39）和最內(nèi)圈（編號(hào)為B39）、第55排最外圈（編號(hào)為A55）管道截取試樣，分別在管道向火側(cè)和背火側(cè)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(cè)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(cè)定管道的化學(xué)成分。采用維氏硬度計(jì)測(cè)量管道向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)外壁的維氏硬度。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的室溫拉伸性能，并進(jìn)行強(qiáng)度校核。采用金相顯微鏡和場(chǎng)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(píng)估珠光體球化級(jí)別和蠕變狀態(tài)，結(jié)合能譜儀（EDS）的分析結(jié)果，分析組織的老化狀態(tài)。

02 結(jié)果與討論

2.1 氧化層厚度檢測(cè)

再熱器管道的實(shí)測(cè)尺寸結(jié)果如表1所示。

表1 再熱器管道的實(shí)測(cè)尺寸

由表1可知：只有A39管道的全壁厚度是負(fù)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(shí)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，管道在超溫環(huán)境中，氧化劇烈，導(dǎo)致氧化膜厚度過厚。

2.2 化學(xué)成分分析

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

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)及強(qiáng)度校核

2.3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

為評(píng)估材料的性能，從每個(gè)管道的背火側(cè)和向火側(cè)各取兩個(gè)試樣，在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為24℃，取兩個(gè)試樣實(shí)測(cè)結(jié)果的平均值。根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》，對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，室溫拉伸試驗(yàn)和維氏硬度測(cè)試結(jié)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(jí)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(shù)要求，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率仍滿足GB/T 5310—2017對(duì)12Cr1MoV鋼的技術(shù)要求。

2.3.2 強(qiáng)度校核

為評(píng)估材料的運(yùn)行狀態(tài)，參照DL/T 654—2009《火電機(jī)組壽命評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》的推薦公式，計(jì)算材料的運(yùn)行當(dāng)量溫度和環(huán)向應(yīng)力。材料環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式如式（1）所示。

管壁運(yùn)行當(dāng)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(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，對(duì)實(shí)測(cè)金屬壁厚進(jìn)行環(huán)向應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 再熱器管道的管壁運(yùn)行當(dāng)量溫度和運(yùn)行應(yīng)力

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

2.4 顯微組織觀察及珠光體球化評(píng)級(jí)

根據(jù)DL/T 773—2016 《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)各管道的向火面和背火面的顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖3所示，并對(duì)各管道的顯微組織進(jìn)行珠光體球化評(píng)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(yán)重，珠光體球化程度達(dá)到4級(jí)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(jí)，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(dá)到4級(jí)及以上，僅有少許片層狀珠光體，晶內(nèi)碳化物較少，呈點(diǎn)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(zhuǎn)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(jí)，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(zhǎng)大呈現(xiàn)短條狀、點(diǎn)狀特征，導(dǎo)致珠光體層片狀特征消失，晶界析出較多碳化物。SEM 分析結(jié)果表明，各管道晶界均有碳化物析出，未見蠕變孔洞，無需進(jìn)行蠕變?cè)u(píng)級(jí)，因此管道不會(huì)形成蠕變破壞，能夠繼續(xù)安全運(yùn)行。

表4 再熱器各管道晶界析出相和基體的EDS分析結(jié)果

由表4可知：晶界析出相中均含有鉻，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移到晶界，由于鉬含量較低，部分晶界析出相中未能檢測(cè)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(zhuǎn)移；釩含量在晶界和晶內(nèi)均較為穩(wěn)定，晶界處檢測(cè)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(qiáng)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(qiáng)性顯著下降。

2.6 剩余壽命評(píng)估

為分析材料的剩余使用壽命，采用參數(shù)外推法進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)已知管壁的運(yùn)行當(dāng)量溫度、應(yīng)力，即可通過公式（3）估算管道的剩余使用壽命（即斷裂時(shí)間）。

管壁運(yùn)行當(dāng)量溫度由公式（3）計(jì)算得出，結(jié)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(jié)論

（1）再熱器管道的化學(xué)成分均符合技術(shù)要求，力學(xué)性能均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)度校核合格，管道處于應(yīng)力安全狀態(tài)。

（2）再熱器管道珠光體球化級(jí)別處于3~4級(jí)，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(jì)算得到的管壁運(yùn)行當(dāng)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。

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