12Cr1MoV主蒸汽管線改造工程中的金相組織研究

王文濤，楊影，燕仲飛，苗增霖

（1.撫順市特種設備監督檢驗所，遼寧 撫順113001；2.遼寧化工機械設備制造有限公司，遼寧 撫順113001；3.撫順石化熱電廠，遼寧 撫113001）

12Cr1MoV合金鋼是一種應用廣泛的珠光體耐熱鋼，具有良好的抗氧化性、較高的強度、較好的塑性、優異的焊接性能等特點，被廣泛應用于火力發電廠主蒸汽管道、過熱集箱、集箱連接管等溫度低于550 ℃的管道中[1]。此類管道在工業管道分級中全部為GC1級，材質服役條件極為惡劣。在高溫高壓環境中長期使用會導致材質劣化出現蠕變、腐蝕、疲勞等現象，嚴重時會發生爆管事故，對整條管線以及發電廠的安全穩定運行產生極大威脅，造成巨大經濟損失[2]。因此，這類管道一直被使用單位納入嚴格管理范圍。

在《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》（TSG D7005—2018）中著重要求對溫度高于450 ℃、運行時間達到或超過6×104h的管線進行金相及硬度的檢驗，金相檢驗重點檢驗材料的石墨化和珠光體球化。由于長期在高溫、高壓的惡劣工況下運行，合金鋼的金相組織將逐漸發生變化。12Cr1MoV主體金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體在長期高溫工作的條件下，珠光體組織中的片狀Fe3C逐漸轉變為成球狀Fe3C，這種轉變與工作溫度、工作時間和管道原件的化學成分有著極其密切的關系。根據《火電廠用12Cr1MoV球化評級標準》（DL/T 773—2016）把金相組織狀態及相應的硬度值將球化程度分成未球化、輕度球化、中度球化、完全球化、嚴重球化5個不同的等級，分別對應1~5級。

某石化熱電廠鍋爐主蒸汽管線在進行工業管道定期檢驗過程中發現嚴重的材質劣化現象，部分檢驗點球化5級，發生嚴重球化。定期檢驗機構根據《壓力管道定期檢驗規則——工業管道》（TSG D7005—2018）中3.2.2（3）條將此管線的安全狀況等級定為4級，使用單位應對管道的材質缺陷進行處理，否則不得繼續使用。認識到問題的嚴重性后，使用單位將全部已發生嚴重球化現象的在用主蒸汽管線進行全部更換處理。

為了從源頭把關，嚴格重要管道的過程管理，本文通過對入廠的新管材和在役的管材進行現場金相檢驗及硬度測試，確定材質的等級，分析劣化規律，為企業的實際應用及檢驗方法提供有力參考。

1 檢驗方法

金相檢驗為保證與在用工業管道檢驗方法相同，采用現場金相 JXD-900檢驗設備對主蒸汽管線入場原材料進行金相檢驗。采用角向磨光機利用砂輪片將待檢部位打磨平整，且應打磨一定深度。新入場材料建議打磨深度不小于 0.5 mm，在用管道元件打磨深度不小于1 mm，可根據表面具體氧化情況酌情加深打磨深度。采用W40、W14、W10、W7、W3.5砂紙依次打磨，每換一次砂紙打磨角度應旋轉90°，且將前一次打磨產生的表面劃痕消除干凈。根據待檢表面情況采用機械拋光或化學拋光中的一種或聯合使用。采用4%硝酸酒精溶液對表面進行侵蝕，時間5~15 s，腐蝕完成，用水清洗掉浸蝕劑，再用無水乙醇清洗1次，然后用電吹風吹干即可 觀察。

硬度檢驗同樣采用與在用工業管道定期檢驗相同的儀器及檢驗方法。里氏硬度計具有操作簡單、測試效率高、電子測量、數值顯示靈敏等優點，適合現場對大直徑、大厚度的管線進行快速檢驗，于是采用型號為HL1000的便攜式里氏硬度計對材料表面進行硬度普查。布氏硬度計采用較大直徑球體壓頭，所得壓痕面積較大，因而測量的硬度值反映金屬在較大范圍內的平均性能，所測數據穩定，重復性強[3]。于是采用HBX-0.5便攜式布氏硬度計對硬度異常區域進行硬度復查。

2 試驗結果

2.1 入廠材料檢驗

工程技術條件規定主蒸汽管道、過熱集箱、集箱連接管材料應符合《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB5310—2017），此標準未對12Cr1MoVG材質的球化等級作明確規定。國內絕大部分標準也未對出廠原材料的球化等級進行詳細規定。

對此工程中國內某著名鋼管廠提供符合GB/T5310—2017標準、規格Φ219×20、材質12Cr1MoVG鋼管表面進行金相檢驗及布氏硬度檢驗。金相組織見圖1、圖2。

圖1 打磨深度0.8 mm 2級球化（輕微球化）（200x）

圖2 打磨深度0.8 mm 2級球化（輕微球化）（400x）

組織狀態為珠光體加鐵素體，聚集形態的珠光體區域已經開始分散，珠光體形態較為清晰，邊界線開始變得模糊，部分碳化物呈現條狀、點狀，晶界上開始析出顆粒狀碳化物，評定球化等級2級。表面布氏硬度為155、160、165、155、140 HB，平均155 HB，在管的各個截面及方向硬度均勻穩定。

對國內某著名鍋爐廠生產的過熱集箱本體、連接管進行金相組織檢驗及維氏硬度硬度檢驗。高溫過熱集箱本體打磨深度1.2 mm，組織球化等級3級，見圖3，組織狀態為珠光體加鐵素體，珠光體區域已經顯著分散，但保留有原區域形態，邊界模糊，碳化物全部聚集長大呈現條狀、點狀；晶界上碳化物顯著增多、增大且呈小球狀分布。打磨深度1.8 mm，組織球化等級2.5級，見圖4，組織狀態為珠光體加鐵素體，顯微組織特征介于2~3級之間。

圖3 打磨深度1.2 mm 珠光體球化等級3（200×）

圖4 打磨深度1.8 mm 珠光體球化等級2.5（200×）

對與高溫過熱集箱相同材質、相同加工工藝、相同熱處理制度的連接管規格為Φ159×16進行檢驗，外表面檢驗球化等級2.5，金相照片見圖5。沿壁厚方向每隔2 mm檢驗維氏硬度，結果見表1。根據GB/T33362—2016/ISO18265:2013中附錄A進行維氏硬度與布氏硬度采用差值法的近似換算。

表1 原材料厚度方向硬度分布

圖5 打磨深度2 mm 球化等級2.5（500x）

過熱集箱及連接管、主蒸汽管道的主體管道元件均采用鋼管進行焊接、熱處理、熱彎等各種熱加工工藝進行。因各廠家的熱處理制度及相關后續工藝的不同導致管道元件金相球化等級均要劣于原始管材。金相組織的球化等級隨深度的增加而減小，顯微硬度隨深度的增加而增加。珠光體球化等級與硬度有很好的對應關系。《高壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T5310—2017）中對 12Cr1MoVG這種材質增加硬度范圍要求135~195 HBW。對到廠鋼管進行硬度復驗均能達到150 HB，與原材料質量證明文件內容相符，球化等級均不高于2級。但過熱集箱、集箱連接管等在加工成型過程中均是利用鋼管進行熱彎、焊接等工藝后進行恢復狀態熱處理，由于各廠家的熱處理能力及方案不同導致到貨產品表面硬度及珠光體球化等級均劣于同規格鋼管。同時材料生產過程中熱處理、熱加工等工序會導致原材料表面出現脫碳層，影響對球化等級的評定。在實際檢驗過程中應在可能的情況下，加深打磨深度以免產生誤判。因此考慮定期檢驗以及長時間使用后球化問題，將原材料入廠球化等級定為不低于2.5級。

2.2 在役管線檢驗

某石化熱電廠退役管道，材質12Cr1MoVG，規格Φ219×20，工作壓力為 9.8 MPa，工作溫度530 ℃，于2002年投產已穩定運行1.5×106h。對鋼管進行內外表面金相檢驗。外表面金相照片見圖6，組織狀態為鐵素體加少量珠光體，球化等級4級，僅有少量珠光體區域痕跡，碳化物明顯聚集長大呈顆粒狀，部分碳化物分布在晶界及其附近，晶界上碳化物呈鏈狀、條狀分布。表面硬度檢驗平均125 HB。內表面金相照片見圖7，組織狀態為鐵素體，珠光體區域形態已經完全消失，晶體內碳化物顯著減少，粗大的碳化物在晶界呈鏈狀、條狀分布，出現雙晶界現象。表面硬度檢驗平均105 HB。沿壁厚方向每隔2 mm檢驗維氏硬度，結果見表2。根據GB/T33362—2016/ISO18265:2013中附錄A進行維氏硬度與布氏硬度及抗拉強度采用差值法的近似換算。

圖6 外表面金相照（200x）

圖7 內表面金相照片（200x）

表2 在用管線厚度方向硬度分布

在用管道內部球化等級顯著高于外部，硬度明顯低于外部。由于管線長期在高溫下使用，內外壁氧化嚴重，存在大量氧化皮，導致管線實際厚度均產生不同程度的腐蝕減薄，進行金相檢驗時打磨去除氧化皮后原始制造表面的脫碳層等均已去除。為保證下次定期檢驗可以在相近位置進行對比檢驗，因此應盡量減少打磨深度，保持長期穩定使用。

3 結果分析

金相組織劣化將導致鋼材的高溫持久性能下降。通過Larson-Miller參數外推法預測剩余壽命：

式中：T—工作溫度，K；

σ—工作應力，MPa；

tr—剩余壽命，h；

Z—參數，表征持久性能變化程度[4]。

Z值與組織形體密切相關，隨著珠光體球化等級的提高而逐漸降低，剩余壽命逐漸減小。

硬度是對組織組成物或組成相的形態不十分敏感的性能，它的大小主要決定于組成相的數量和硬度。12Cr1MoV管線在長時間高溫環境下運行，珠光體逐漸轉變為鐵素體加晶界處的碳化物，剩余珠光體的顯微硬度也逐漸降低。珠光體的顯微硬度與運行時間呈線性關系：

式中：t—運行時間，104h[5]。

轉化為宏觀硬度現象則是運行溫度不變的情況下硬度與運行時間成現反比例關系。材質球化5級后，宏觀硬度也隨著運行時間逐漸降低。因此在用主蒸汽管線根據現場金相組織狀態、現場宏觀硬度檢測兩項指標對管線的剩余壽命進行大致評價是方便可行、效率較高的。在滿足相關標準要求的前提下，新入場材料的金相組織狀態及宏觀硬度應保持一個較高水平，為監測管線長期運行的組織、硬度轉變留下較大的余量[6-10]。

4 結 論

通過對比入廠新材料與在役管線的金相檢驗結果，可以得到以下結論：

1）12Cr1MoV鋼管道的原材料入廠金相檢驗，珠光體球化等級不高于2.5級，檢驗時應在滿足名義厚度的前提下盡量增加打磨深度，減少誤判。

2）彎頭、三通等由于加工后期的熱處理問題導致外表面檢驗時珠光體球化等級及硬度均劣于同規格鋼管。

3）采用金相組織狀態、現場宏觀硬度檢測兩項指標對主蒸汽管線的剩余壽命進行大致預測是方便可行的，效率較高。