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

劉泰然, 張一可, 王志武, 句光宇

(1.河南農(nóng)業(yè)大學, 鄭州 450046；2.武漢大學, 武漢 430072；3.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, 鄭州 450000)

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[1-2]，其供貨狀態(tài)為正火+回火態(tài)，組織為鐵素體+貝氏體[3-4]。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[5-6]，嚴重時會危害鍋爐部件的安全。張彥文等[7]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[5]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(jié)果表明：材料組織發(fā)生了明顯的珠光體球化，碳化物和晶粒長大，高溫屈服強度和抗拉強度也明顯下降。YAN等[4]采用掃描電鏡原位拉伸試驗，研究了服役20 000 h和200 000 h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。

筆者以某發(fā)電廠300 MW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。

1 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，鋼管規(guī)格為φ63 mm×4.5 mm，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(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Fig.1 Sampling location of tensile sample

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile sample

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，采用尼通XL3t980型合金分析儀測定管道的化學成分。采用HV-1000型維氏硬度計測量管道向火側(cè)和背火側(cè)內(nèi)外壁的維氏硬度。采用三思縱橫UTM5105型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。采用蔡司Axio Lab.A1型金相顯微鏡和MIA3LMH型場發(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(jié)合Aztec Energy Standard X-MaxN20 型能譜儀(EDS)的分析結(jié)果，分析組織的老化狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化層厚度檢測

再熱器管道的實測尺寸結(jié)果如表1所示。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450 μm，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[8-9]。

表1 再熱器管道的實測尺寸Tab.1 Measured dimensions of reheater pipes

2.2 化學成分分析

再熱器管道的化學成分分析結(jié)果如表2所示。由表2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。

表2 再熱器管道的化學成分分析結(jié)果Tab.2 Chemical composition analysis results of reheater pipes

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(cè)和向火側(cè)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(jié)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(jié)果見表3。由表3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。

表3 再熱器管道的室溫拉伸性能和維氏硬度Tab.3 Room temperature tensile properties and Vickers hardness of reheater pipes

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。

σeq=P(D0-S)/(2S)(1)

式中：P為管道正常運行下的壓力，MPa；D0為管道外徑，mm；S為管道壁厚，mm；σeq為環(huán)向應力。

管壁運行當量溫度和內(nèi)壁氧化膜厚度滿足式(2)。

T={a/[b+lgt-2lg(0.467 8x)]}-273.15(2)

式中：T為過熱器管道金屬的當量溫度， ℃；t為管道的運行時間，h；x為管道內(nèi)壁氧化膜厚度，mm；a，b為材料的常數(shù)。

12Cr1MoV鋼管的額定蒸汽工作壓力為17.47 MPa，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(jié)果如表4所示。由表4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)。

表4 再熱器管道的管壁運行當量溫度和運行應力Tab.4 Equivalent operating temperature of pipe wall and stress on service of reheater pipes

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(jié)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。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)。

圖3 再熱器各管道不同位置處的顯微組織Fig.3 Microstructure at different positions of reheater pipes:a) B39, back fire side; b) B39, towards fire side; c) A22, back fire side; d) A22, towards fire side;e) A39, back fire side; f) A39, towards fire side; g) A55, back fire side; h) A55, towards fire side

2.5 掃描電鏡及能譜分析

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(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，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(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。

圖4 再熱器各管道不同位置處的SEM形貌Fig.4 SEM morphology Microstructure at different positions of reheater pipes:a) B39, back fire side; b) B39, towards fire side; c) A22, back fire side; d) A22, towards fire side;e) A39, back fire side; f) A39, towards fire side; g) A55, back fire side; h) A55, towards fire side

由表5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(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，晶界處檢測出的釩是熱處理過程中析出的?；w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[7]。

表5 再熱器各管道晶界析出相和基體的EDS分析結(jié)果Tab.5 EDS analysis results of grain boundary precipitated phase and matrix of reheater pipes

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)。對于12Cr1MoV鋼的L-M參數(shù)由公式(3)表示，P(σ)由P(σ)-σ曲線確定，P(σ)-σ曲線通過查閱DL/T 654-2009《火電機組壽命評估技術導則》得到。

P(σ)=T(22+lgtr)(3)

式中：tr為斷裂時間，h。

管壁運行當量溫度由公式(3)計算得出，結(jié)果如表6所示。由表6可知，再熱器管道的剩余使用壽命均超過100 000 h，材料整體處于較為安全的狀態(tài)。

表6 再熱器管道的剩余使用壽命Tab.6 Remaining service life of reheater pipes

3 結(jié)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100 000 h。