12Cr1MoVG 鋼珠光體球化案例分析

劉 晶，畢 瑜，強(qiáng)敏娜，劉晉閣

（陜西省石化壓力容器檢驗(yàn)站，陜西 西安 710054）

引言

近些年，在影響承壓設(shè)備運(yùn)行安全的所有因素中，材料首當(dāng)其沖，在特殊工況下其強(qiáng)度、塑性、韌性等性能的某些變化對(duì)于設(shè)備能否正常運(yùn)行有很大影響，更甚者有些性能參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故[1]。在承壓特種設(shè)備的運(yùn)行中，設(shè)備內(nèi)、外環(huán)境對(duì)材料的影響非常大，一般情況下會(huì)導(dǎo)致承壓特種設(shè)備損傷的模式有：腐蝕減薄、環(huán)境開(kāi)裂、材質(zhì)劣化、機(jī)械損傷等。承壓設(shè)備用碳素鋼和低合金鋼，在常溫下的組織一般為：鐵素體+珠光體[2]。

本次檢驗(yàn)的管道材質(zhì)為12Cr1MoVG，雖然12Cr1MoVG 與12Cr1MoV 兩種牌號(hào)的鋼材使用工況、化學(xué)成分等有差異，但它們的顯微組織相近，故12Cr1MoVG 鋼球化評(píng)級(jí)可參考DL/T 773—2016 的要求，12Cr1MoV 鋼顯微組織的球化程度分為5 級(jí)。通過(guò)對(duì)12Cr1MoVG 鋼的球化程度進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,檢驗(yàn)人員可以給予使用單位對(duì)管道的使用建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)及分析結(jié)果

1.1 基本資料

本次檢驗(yàn)的管道規(guī)格為Φ426 mm×40 mm，材質(zhì)為12Cr1MoVG，最高工作壓力9.8 MPa，最高工作溫度528 ℃。

1.2 硬度檢測(cè)

在材料組織中，球狀珠光體相比于層片狀珠光體硬度較小，所以材料硬度值降低是球化的必要條件，故材料硬度值在一定程度上能夠反映出材質(zhì)球化的程度，硬度值過(guò)低說(shuō)明材料強(qiáng)度大幅度下降[3]，故在特種檢驗(yàn)中經(jīng)常將硬度檢測(cè)作為判斷材質(zhì)有無(wú)劣化的一個(gè)必不可少的有效手段。本次檢驗(yàn)，對(duì)管道不同管件進(jìn)行硬度檢測(cè)，同一部位硬度測(cè)量三次，最后得出平均值。本文選擇了檢驗(yàn)中四處典型檢測(cè)部位進(jìn)行對(duì)比，各檢測(cè)部位硬度實(shí)測(cè)值及實(shí)測(cè)硬度平均值見(jiàn)表1（表中硬度值為布氏硬度），所用儀器型號(hào)為HT-2000。

表1 檢測(cè)部位硬度值

根據(jù)DL/T 773-2016，12Cr1MoV 鋼顯微組織不同程度球化對(duì)應(yīng)不同硬度值，且隨著球化程度加劇，硬度值逐漸降低。由表1 數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在相同工況下，經(jīng)使用相同時(shí)間后檢測(cè)部位a、b、c、d 處硬度較未球化的顯微組織均有所下降。根據(jù)表1，檢測(cè)部位a、b、c、d 四處的實(shí)測(cè)硬度平均值從大到小排列順序?yàn)椋? 號(hào)直管＞1 號(hào)直管＞2 號(hào)彎頭＞1 號(hào)彎頭。這四處檢測(cè)部位均存在不同程度的材質(zhì)劣化可能性，故需要金相分析進(jìn)一步證明本條管道檢測(cè)部位材質(zhì)有無(wú)劣化，并結(jié)合硬度檢測(cè)結(jié)果判斷其損傷程度。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)金相分析

現(xiàn)場(chǎng)金相顯微組織通過(guò)以下四步獲?。旱谝徊?，用帶砂輪片的打磨機(jī)磨平取樣位置；第二步，用金相檢測(cè)儀自帶磨盤(pán)磨光取樣表面；第三步，用金剛石研磨膏拋光第二步磨光的表面；第四步，用無(wú)水乙醇清洗拋光的位置，再使用4%硝酸酒精溶液（濃硝酸與無(wú)水乙醇的體積比為4∶100）腐蝕，腐蝕后等待1 min左右在金相顯微鏡下觀察金屬組織。本次金相檢測(cè)所用儀器型號(hào)為PTI-5000。通過(guò)顯微鏡觀察，本條管道管件的金屬顯微組織為：鐵素體+貝氏體，鐵素體加貝氏體組織球化程度按照DL/T 773-2016 評(píng)級(jí)。分別對(duì)1.2 中檢測(cè)部位a～d 采集金相圖樣，如下頁(yè)圖1～圖4 所示（放大倍數(shù)為500 倍）。

圖1 1 號(hào)彎頭

圖2 1 號(hào)直管

圖3 2 號(hào)彎頭

圖4 2 號(hào)直管

根據(jù)DL/T 773—2016 各球化級(jí)別的文字描述以及500 倍下的各球化級(jí)別的金相圖譜，分別對(duì)四處檢驗(yàn)部位的金相作出分析并評(píng)判出球化損傷程度。

下頁(yè)圖1 中，貝氏體組織區(qū)域已經(jīng)完全消失不見(jiàn)，晶內(nèi)碳化物組織顯著減少，組織為鐵素體和碳化物的混合物。粗大的碳化物分別分布在晶界和晶內(nèi)，在晶內(nèi)碳化物呈球狀分布，在晶界上的碳化物呈鏈狀、長(zhǎng)條狀分布，且局部出現(xiàn)雙晶界現(xiàn)象。故1 號(hào)彎頭屬?lài)?yán)重球化，評(píng)為5 級(jí)。

圖2 中貝氏體區(qū)域已破碎，邊界線變得很模糊，粒狀結(jié)構(gòu)變得疏散，方向性明顯消失，碳化物聚集長(zhǎng)大，球化程度介于3 級(jí)與4 級(jí)之間，故1 號(hào)直管屬中度球化，評(píng)為3.5 級(jí)。

圖3 僅有少量的貝氏體區(qū)域痕跡，大部分碳化物呈顆粒狀分布在晶界及其附近，相對(duì)于4 級(jí)球化其碳化物顯著減少，故2 號(hào)彎頭屬完全球化，評(píng)為4.5 級(jí)。

圖4 貝氏體區(qū)域仍然存在，粒狀結(jié)構(gòu)變疏松，方向性消失，大部分碳化物沒(méi)有聚集長(zhǎng)大，相對(duì)于2 級(jí)球化，圖4 中貝氏體形態(tài)比較模糊，故2 號(hào)直管屬輕度球化，評(píng)為2.5 級(jí)。

2 結(jié)論

1）目視檢測(cè)方法一般無(wú)法發(fā)現(xiàn)珠光體球化。

2）珠光體球化主要通過(guò)金相圖譜分析判斷，硬度檢測(cè)作為輔助檢測(cè)方法加以補(bǔ)充說(shuō)明球化的嚴(yán)重程度[6]。

3）珠光體球化程度和顯微硬度之間存在著的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在同一設(shè)備、同一材質(zhì)前提條件下，不同部位的硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)大小基本上能對(duì)比出不同部位球化等級(jí)大小順序，國(guó)內(nèi)球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中與球化等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)硬度值和實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)相差甚微。

4）同一條管道不同位置的球化程度參差不齊，僅從硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)與金相圖譜兩方面分析可以發(fā)現(xiàn)彎頭部位較直管段損傷更嚴(yán)重。

3 建議

1）嚴(yán)格控制管道運(yùn)行的溫度和壓力，嚴(yán)禁超溫超壓運(yùn)行，相關(guān)企業(yè)應(yīng)提高壓力管道作業(yè)人員安全操作水平。

2）對(duì)長(zhǎng)期處于高溫工況下運(yùn)行的壓力管道，檢驗(yàn)人員在進(jìn)行定期檢驗(yàn)中必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行金相檢測(cè)，檢查是否存在材質(zhì)劣化傾向，若發(fā)生輕微材質(zhì)劣化，使用單位應(yīng)考慮降低運(yùn)行溫度及壓力。