淺析鍋爐用12Cr1MoVG鋼的珠光體球化

施震山

(云南省特種設備安全檢測研究院，云南 昆明 650228)

12Cr1MoVG屬珠光體熱強鋼，即使 580 ℃ 條件下依然具備優良的熱強性和抗氧化性能，同時保持良好的持久塑性，無論是在工藝中還是焊接中都極具潛力，是電站鍋爐零部件中的常見材料，適用范圍包括壁溫低于或等于 580 ℃ 的受熱面管和 565 ℃ 的高溫集箱、導汽管及主蒸汽管等。

1 簡述

12Cr1MoVG顯微組織根據GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》所述顯微組織主要種類有四種，分別是鐵素體加粒狀貝氏體、鐵素體加珠光體、鐵素體加粒狀貝體加珠光體以及全貝氏體，其中可能混雜有索氏體(為方便討論，文中主要分析鐵素體和珠光體存在下的條件)。

2 珠光體球化

珠光體球化是鋼材在高溫條件下運行較長時間組織特征發生變化的現象，鋼材當中的珠光體是鐵素體和滲碳體(或碳化物)有機結合的整合組織。片狀是其多種表現形式中的一種，受溫度的影響發生球形變化。這個過程中包含碳化物的聚集過程，隨著碳化物球化而不斷膨脹，球體的直徑不斷上升。具體機制在于，滲碳體原本為片層狀排列，其表面積與體積比遠遠大于球狀外形之下的表面積與體積比。因此滲碳體發生片層到球形的外形改變伴隨著外形的球化以及球化之后直徑的上升。而外形的球化以及球化之后體積的上升從微觀層面來說和原子重新排列有關，也就是原子在高溫下吸收能量進行擴散的方式。常溫條件中原子沒有吸收足夠的能量，活動能力相對較弱，使得珠光體球化的現象無法發生。隨著高溫條件下能量吸收的逐漸增加，原子的運動作用愈發明顯強烈，擴散現象增強，最終導致鋼材中的片層狀珠光體發生外形變化，實現珠光體的球化。

3 12Cr1MoV鋼珠光體球化評級

按DL/T773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》，顯微組織按照球化狀況可以分為5級，分別是：1級，未球化；2級，輕度球化；3級，中度球化；4級，完全球化；5級，嚴重球化。標準中并給出了各個球化級別對應的力學性質(平均值)及硬度值。如表1所示。

表1 常溫下鐵素體加珠光體組織各個球化級別的力學性能

4 影響珠光體球化的因素

溫度、時間、應力是造成珠光體球化的主要影響因素，鋼材顯微組織種類、化學組成、晶粒度和冷變形等也有影響。

4.1 溫度

溫度與球化過程的速率呈正相關，是珠光體球化中的重要影響因素。作用溫度提高幾十攝氏度，便能夠促進球化速度成倍增長。

在某一溫度下，達到某種球化程度所需的時間Q符合如下關系：

t=Aeb/T

式中：T為金屬的熱力學溫度；A為與鋼的化學成分和組織狀態相關的常數；b常數。

4.2 時間

當溫度一定時，時間越長，則球化越嚴重。

4.3 應力

應力將促使球化過程加速。有文獻認為，應力條件下將珠光體完全球化用時對比缺少應力縮短三分之一。

4.4 鋼的化學組成

鋼材化學組成能夠對珠光體球化造成較大程度的改變。球化過程微觀本質是碳原子擴散速度，意味著能夠結合碳原子的金屬元素有助于降低碳原子在鐵素體中的運動,從而使珠光體球化減緩。相同溫度下，Cr-Mo-V鋼比Cr-Mo鋼難于球化，Cr- Mo鋼比碳鋼難于球化。

4.5 鋼的顯微組織狀態

鋼材顯微組織狀態不同，也會造成珠光體球化速度發生改變。

4.6 鋼的晶粒度和冷變形

球化過程主要發生在晶界上，因此鋼材粗晶粒相較于細晶粒更加不易發生球化。鋼材發生冷變形時不穩定性上升，意味著冷變形促進珠光體發生球化。

5 珠光體球化對鋼的性能影響

5.1 對室溫力學性能的影響

從DL/T773-2016表D看出隨著球化級別的升高，室溫抗拉強度和下屈服強度降低，硬度值相應降低，而延伸率隨著球化過程的發展有所提高。表中未給出各個級別對應的沖擊韌性數值，一般認為球化會導致沖擊韌性下降，但有資料指出對于12Cr1MoV鋼，盡管球化很嚴重，其室溫沖擊韌性仍然很高，影響不大。

5.2 對蠕變極限和持久強度下降的影響

有試驗資料表明，珠光體球化對鋼的蠕變極限和持久強度的影響很大，會加快高溫部件的蠕變速度并減少壽命。相關報道中，針對不同球化程度的12Cr1MoV鋼管，在580℃高溫下測試持久爆管時，對于球化4級而言，持久強度對比1級減少1/3，而球化3級鋼材的持久強度并沒有發生顯著性差異。如果變成 540 ℃，相關研究報道的結果還存在爭議。

6 檢測實例及數據分析

曾對一個表面金相珠光體球化評級有爭議的熱壓彎頭(見圖1)進行斷面金相(見圖2)及常溫力學性能檢測，材質：12Cr1MoVG，規格：Φ219×11 mm，未使用過，結果如表2所示。

表2 試驗數據

圖1 熱壓彎頭

圖2 珠光體球化2.5級

試驗數據符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的規定，但按DL/T773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》中鐵素體加珠光體各個球化級別對應的力學性能(平均值)(表D.1中2級與3級之間)，對比來看，抗拉強度高 100 MPa 左右，下屈服強度高 58 MPa 左右，有一些差距，硬度值基本吻合。在平常鍋爐檢驗中，金相組織球化評級與硬度值背離的情況并不少見。有時金相檢驗球化評級很高，硬度卻不低；有時球化程度很輕微，硬度卻偏低。因此，對不同運行時間、不同球化級別的鋼材力學性能試驗數據還有待積累。有關研究認為:建立球化級別標準，能夠明確不同球化程度鋼材中金相組織與性能的聯系，有助于評價球化程度對于鋼材性能改變的作用大小，從而能夠通過簡易有效的金相檢驗，并針對影響程度的大小進行定性或者定量分析。但是，珠光體球化對鋼材性質造成改變的規律難以闡明，因此盡管有關分級標準給出部分性質的對照數據，但這些標準還處于研究入門期，成熟度不足，難以利用有關標準對對應的金相組織進行精確和定量析。

7 珠光體球化與電站鍋爐金屬部件失效的關系

7.1 過熱器管長期過熱爆管

根據有關對12Cr1MoV鋼過熱器管長期過熱爆管破口組織性能的檢驗，常常在破口處看到嚴重的球化組織，同時鋼的強度明顯下降。過熱器管長期高溫運行時，管子在發生蠕變的同時，珠光體球化不斷發展。珠光體變形使得鋼材蠕變極限和持久強度嚴重削弱，引起鋼管運行工作中發生蠕變加速。如果在高溫中運行時間過長，鋼材球化和蠕變速率對比普通運行溫度會發生明顯上升。鋼材顯微組織球化反過來會造成鋼管蠕變進一步加速，不可避免發生爆管。珠光體球化是長期高溫作用下的一種材料學現象，與爆管發生密切相關，但并不是根本原因。尚未發現鋼材珠光體球化等級與鋼管蠕脹最終爆管之間的規律。

7.2 管道失效

電站鍋爐蒸汽管道長期在高溫、高壓條件下運行，因管徑大且在爐外，一旦破壞將造成巨大的危害，保證管道安全尤為重要。火力發電廠蒸汽管道因為高溫高壓，發生蠕變導致事故的占比并不在少數。由于蒸汽管道工作條件為高溫和應力作用，因此同時發生兩種變化：1)高溫和應力作用條件引起蒸汽管道蠕變變形，管徑增大發生蠕脹；2)蒸汽管道鋼材在高溫和應力作用下發生的組織性質變化，對12Cr1MoV這類珠光體耐熱鋼包括珠光體球化、合金元素從鐵素體轉移到碳化物以及碳化物類型的轉換過程等“老化”現象，使鋼的強度和耐熱性下降。這兩個過程是有聯系的，主要是后者影響前者,由于“老化”過程的進行，鋼的強度和耐熱性降低,在相同的應力、溫度作用下，蒸汽管道將比之前更快的速度蠕變，當蠕變變形達到某極限值時就發生爆破。同理可以認為，珠光體球化是管道長期高溫、高壓運行所表現出來的現象，是影響因素，而蠕變才是破壞的根源。

8 有關規程對12Cr1MoVG鋼珠光體球化的規定

DL/T438-2016《火力發電廠金屬技術監督規程》中涉及珠光體球化的條款總共有4條。分別為：7.2.3.8對運行時間達到或超過20萬h，工作溫度高于等于 450 ℃ 的主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道，根據檢測的金相組織、硬度狀況宜割管需要進行評估，焊接接頭包含在割管部位內。當割管試驗表明材質損傷嚴重時，應進行壽命評估，管道壽命評估按DL/T940執行。 7.2.3.9 已運行20萬h的12Cr1MoVG (其余鋼號略)鋼制蒸汽管道，經檢驗符合下列條件，直管段一般可繼續運行至30萬h:a)實測最大蠕變應變小于0.75%或最大蠕變速度小于0.35×10-7/h。b)監督段金相組織在5級以下；c)未發現嚴重的蠕變損傷。 8.2.5已運行20萬h的12Cr1MoVG (某余鋼號略)鋼制集箱,經檢查符合下列條件，筒體一般可繼續運行至30萬h:a)金相組織未嚴重球化(即未達到5級)。b)未發現嚴重的蠕變損傷。c) 筒體未見明顯脹粗。8.2.6對珠化體球化達到5級、硬度下降明顯的集箱，應進行壽命評估。

結合上述規定可以得到兩個重要結論：a)蠕變變形數據搜集必不可少，同時必須進行蠕變損傷評估；b)即使嚴重球化(5級)，亦不能輕易判廢，而應進行壽命評估。

9 結語

珠光體球化是造成鋼材性能受損的重要現象，但也有其他變化過程發生作用，增加了評價工作的復雜性。在實際檢驗過程中每臺鍋爐情況不盡相同，拋開金相檢驗的諸多影響因素及評級中的誤差不談，如僅用單一的球化級別標準來判廢鋼材，顯然與理論背離，與有關規程的規定不符。不能僅根據球化級別提出相應處理意見或建議，應在鍋爐檢驗過程中，正確認識珠光體球化的影響。