在役12Cr1MoV 鋼鍋爐集箱接管試驗(yàn)分析與狀態(tài)評估

李昱偉，周 勇，王 博

（1.西安石油大學(xué)，陜西西安 710065；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032）

1 前言

某3 號鍋爐對流過熱器出口聯(lián)箱的蒸汽溫度為540℃，后屏過熱器出口聯(lián)箱的蒸汽溫度為450℃，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間200000h。該電廠送檢三根管樣進(jìn)行理化試驗(yàn)分析，具體試驗(yàn)內(nèi)容：對管樣進(jìn)行金相分析（包括組織定性、組織老化評定、氧化皮厚度和結(jié)構(gòu)、微裂紋定性、顯微硬度檢驗(yàn)等）和碳化物的能譜分析。三根管樣規(guī)格為?38×5mm，材質(zhì)均為12Cr1MoV。管樣編號及材質(zhì)如下：1#樣，對流過熱器出口聯(lián)箱管（甲向乙第50 排，后向前第1 根）；2#樣，對流過熱器出口聯(lián)箱管（乙向甲第10 排，后向前第1 根）；3＃樣，對流過熱器出口聯(lián)箱管（甲向乙第15 排，后向前第1根）。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 化學(xué)成分試驗(yàn)

取三個(gè)管樣的粉末試樣進(jìn)行化學(xué)成分試驗(yàn)，按照GB/T20123-2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》[1]、GB/T223.62-1988《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法乙酸丁酯萃取光度法測定磷量》[2]、CSM 07 05 94 01-2003《高溫合金-硅錳磷鉻鎳鈷銅鉬釩鈦鋁鐵含量的測定-發(fā)射光譜法》[3]等標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行化學(xué)成分試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》[4]標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoV 鋼的要求如表1 所示。

表1 試樣化學(xué)成分/wt%

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：三根管樣的化學(xué)成分符合GB/T5310-2017 對12Cr1MoV 鋼的化學(xué)成分技術(shù)條件要求。

2.2 蠕脹測量

經(jīng)測量，1#～3# 管樣的外徑蠕脹量分別約為2.4%、1.6%、1.6%，說明三根管樣均發(fā)生不同程度的蠕脹。該鍋爐的過熱器蒸汽出口管長期在高溫高壓條件下工作，材料性質(zhì)隨著溫度而改變，管子的應(yīng)力也因溫度與時(shí)間的雙重影響而重新分配，蠕脹現(xiàn)象較易發(fā)生[5]。

2.3 機(jī)械性能試驗(yàn)

2.3.1 布氏硬度試驗(yàn)

從1#～3# 管樣切取布氏硬度試樣，按照GB/T 231.1-2018《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》[6]進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，載荷187.5kgf，鋼球直徑?2.5mm，試驗(yàn)結(jié)果和GB/T5310-2017 對12Cr1MoVG鋼的布氏硬度要求如表2 所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：1#～3#試樣的布氏硬度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，與其相應(yīng)的組織老化程度相對應(yīng)。

表2 1#～3#試樣布氏硬度試驗(yàn)結(jié)果（HB）

2.3.2 拉伸性能試驗(yàn)

從三根管樣各取一個(gè)保留原管內(nèi)外壁狀態(tài)的條狀拉伸試樣，試樣標(biāo)距長50mm，按照GB/T228-2021《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和GB/T5310-2017 對12Cr1MoVG 鋼的拉伸性能要求如表3 所示。

表3 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）1#、2#試樣強(qiáng)度低于GB/T5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoV 鋼的要求，3#試樣強(qiáng)度略高于要求的下限值。說明該三根管樣均不能滿足長期使用要求。

（2）斷后伸長率符合標(biāo)準(zhǔn)要求，略高于要求的下限值。

2.4 金相試驗(yàn)

切取1#～3#管樣的橫向試樣，鑲嵌、研磨（先在砂輪機(jī)上將試樣磨平，再用120#、240#、400#、800#、1000#砂紙進(jìn)行磨光，砂紙由粗到細(xì)依次磨光，每道砂紙磨光后變換方向，直到全部劃痕及變形層都被完全去除）、拋光（拋光膏由粗到細(xì)依次拋光，每道拋光后變換方向，拋光2～3 道；最后一道拋光研磨膏粒度宜選用2.5μm），最后用4%硝酸酒精溶液浸蝕試樣檢驗(yàn)面，酒精沖洗后用吹風(fēng)機(jī)吹干，在金相顯微鏡下進(jìn)行金相組織觀察分析。

2.4.1 顯微組織及內(nèi)壁氧化皮特征

依據(jù)DL/T884-2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評定技術(shù)導(dǎo)則》[8]，1#、3#試樣組織為鐵素體+碳化物，晶界碳化物鏈狀分布，出現(xiàn)少量的雙晶界，球化4～5 級，晶粒度8 級，見圖1、圖5；2#試樣組織為鐵素體+碳化物，尚可見貝氏體形態(tài)痕跡，晶界碳化物呈球狀分布且已經(jīng)長大，有的呈鏈狀，球化4 級，晶粒度8 級，見圖3。

圖1 1＃試樣組織

圖2 1＃試樣內(nèi)壁氧化皮形貌

圖3 2＃試樣組織

圖4 2＃試樣內(nèi)壁氧化皮形貌

圖5 3＃試樣組織

1#～3# 試樣的內(nèi)壁氧化皮厚度分別約為：0.59mm、0.47mm、0.55～0.60mm，氧化皮結(jié)構(gòu)均為三層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)層到外層為淺色致密層、深色疏密相間的多層結(jié)構(gòu)、柱狀疏松層，見圖2、圖4、圖6。觀察氧化皮形貌,可以看出脫落的Fe3O4氧化物原先深褐色的Fe3O4全部被氧化為α-Fe2O3。氧化皮離開金屬基體后,失去了鐵離子補(bǔ)充,而α-Fe2O3在形成過程中不斷消耗氧化皮內(nèi)部的亞鐵離子,使得脫落氧化物內(nèi)部再次出現(xiàn)彌散的細(xì)孔,在表層形成新的致密層[9]。

圖6 3＃試樣內(nèi)壁氧化皮形貌

2.4.2 內(nèi)壁微裂紋及脫碳層檢驗(yàn)

1#、2#、3#試樣內(nèi)壁毗鄰氧化皮處均產(chǎn)生不同程度的沿晶氧化微裂紋，深度為1～3 個(gè)晶粒，見圖7。內(nèi)壁微裂紋性質(zhì)為沿晶氧化微裂紋。三個(gè)試樣內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象。

圖7 內(nèi)壁沿晶微裂紋形貌

2.4.3 顯微硬度試驗(yàn)

對1#～3# 試樣進(jìn)行顯微硬度檢驗(yàn)，載荷1000kgf，時(shí)間14s，檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。由以上結(jié)果可以看出，1#～3#試樣的顯微硬度值較低，與其相應(yīng)的組織老化程度相對應(yīng)。

表4 1＃～3＃試樣顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果/HV

2.5 碳化物中合金元素含量分析

對1#、2#、3#試樣顯微組織中的碳化物采用半定量的X 射線能譜儀進(jìn)行分析，譜圖及碳化物形貌見圖8～圖10，結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，1#～3#試樣碳化物中的合金元素Cr、Mo 含量很高，說明大量的合金元素已經(jīng)從基體彌散狀態(tài)進(jìn)入碳化物聚集狀態(tài)。

表5 1#～3#試樣中的碳化物X 射線能譜分析結(jié)果/%

圖8 1＃試樣碳化物成分譜圖及碳化物形貌

圖9 2＃試樣碳化物成分譜圖及碳化物形貌

圖10 3＃試樣碳化物成分譜圖及碳化物形貌

3 結(jié)論

（1）1#、2#、3#對流過熱器出口聯(lián)箱管已經(jīng)蠕脹，組織球化4～5 級，老化較嚴(yán)重，且內(nèi)壁均產(chǎn)生沿晶氧化，沿晶氧化微裂紋深度約為1～3 個(gè)晶粒。

（2）1#、2# 樣低于GB/T 5310-2017 標(biāo)準(zhǔn)對12Cr1MoV 鋼（470MPa）的要求，3# 試樣強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。總之，三根管樣強(qiáng)度值較低。

（3）經(jīng)綜合分析評估，上述三根管樣不能滿足長期使用要求。為安全起見，類似1#、2#、3#管樣的接管不宜長期使用，建議加強(qiáng)監(jiān)督，擇機(jī)更換。