浅析锅炉用12Cr1MoVG钢的珠光体球化

施震山

(云南省特种设备安全检测研究院，云南 昆明 650228)

12Cr1MoVG属珠光体热强钢，即使 580 ℃ 条件下依然具备优良的热强性和抗氧化性能，同时保持良好的持久塑性，无论是在工艺中还是焊接中都极具潜力，是电站锅炉零部件中的常见材料，适用范围包括壁温低于或等于 580 ℃ 的受热面管和 565 ℃ 的高温集箱、导汽管及主蒸汽管等。

1 简述

12Cr1MoVG显微组织根据GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》所述显微组织主要种类有四种，分别是铁素体加粒状贝氏体、铁素体加珠光体、铁素体加粒状贝体加珠光体以及全贝氏体，其中可能混杂有索氏体(为方便讨论，文中主要分析铁素体和珠光体存在下的条件)。

2 珠光体球化

珠光体球化是钢材在高温条件下运行较长时间组织特征发生变化的现象，钢材当中的珠光体是铁素体和渗碳体(或碳化物)有机结合的整合组织。片状是其多种表现形式中的一种，受温度的影响发生球形变化。这个过程中包含碳化物的聚集过程，随着碳化物球化而不断膨胀，球体的直径不断上升。具体机制在于，渗碳体原本为片层状排列，其表面积与体积比远远大于球状外形之下的表面积与体积比。因此渗碳体发生片层到球形的外形改变伴随着外形的球化以及球化之后直径的上升。而外形的球化以及球化之后体积的上升从微观层面来说和原子重新排列有关，也就是原子在高温下吸收能量进行扩散的方式。常温条件中原子没有吸收足够的能量，活动能力相对较弱，使得珠光体球化的现象无法发生。随着高温条件下能量吸收的逐渐增加，原子的运动作用愈发明显强烈，扩散现象增强，最终导致钢材中的片层状珠光体发生外形变化，实现珠光体的球化。

3 12Cr1MoV钢珠光体球化评级

按DL/T773-2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，显微组织按照球化状况可以分为5级，分别是：1级，未球化；2级，轻度球化；3级，中度球化；4级，完全球化；5级，严重球化。标准中并给出了各个球化级别对应的力学性质(平均值)及硬度值。如表1所示。

表1 常温下铁素体加珠光体组织各个球化级别的力学性能

4 影响珠光体球化的因素

温度、时间、应力是造成珠光体球化的主要影响因素，钢材显微组织种类、化学组成、晶粒度和冷变形等也有影响。

4.1 温度

温度与球化过程的速率呈正相关，是珠光体球化中的重要影响因素。作用温度提高几十摄氏度，便能够促进球化速度成倍增长。

在某一温度下，达到某种球化程度所需的时间Q符合如下关系：

t=Aeb/T

式中：T为金属的热力学温度；A为与钢的化学成分和组织状态相关的常数；b常数。

4.2 时间

当温度一定时，时间越长，则球化越严重。

4.3 应力

应力将促使球化过程加速。有文献认为，应力条件下将珠光体完全球化用时对比缺少应力缩短三分之一。

4.4 钢的化学组成

钢材化学组成能够对珠光体球化造成较大程度的改变。球化过程微观本质是碳原子扩散速度，意味着能够结合碳原子的金属元素有助于降低碳原子在铁素体中的运动,从而使珠光体球化减缓。相同温度下，Cr-Mo-V钢比Cr-Mo钢难于球化，Cr- Mo钢比碳钢难于球化。

4.5 钢的显微组织状态

钢材显微组织状态不同，也会造成珠光体球化速度发生改变。

4.6 钢的晶粒度和冷变形

球化过程主要发生在晶界上，因此钢材粗晶粒相较于细晶粒更加不易发生球化。钢材发生冷变形时不稳定性上升，意味着冷变形促进珠光体发生球化。

5 珠光体球化对钢的性能影响

5.1 对室温力学性能的影响

从DL/T773-2016表D看出随着球化级别的升高，室温抗拉强度和下屈服强度降低，硬度值相应降低，而延伸率随着球化过程的发展有所提高。表中未给出各个级别对应的冲击韧性数值，一般认为球化会导致冲击韧性下降，但有资料指出对于12Cr1MoV钢，尽管球化很严重，其室温冲击韧性仍然很高，影响不大。

5.2 对蠕变极限和持久强度下降的影响

有试验资料表明，珠光体球化对钢的蠕变极限和持久强度的影响很大，会加快高温部件的蠕变速度并减少寿命。相关报道中，针对不同球化程度的12Cr1MoV钢管，在580℃高温下测试持久爆管时，对于球化4级而言，持久强度对比1级减少1/3，而球化3级钢材的持久强度并没有发生显著性差异。如果变成 540 ℃，相关研究报道的结果还存在争议。

6 检测实例及数据分析

曾对一个表面金相珠光体球化评级有争议的热压弯头(见图1)进行断面金相(见图2)及常温力学性能检测，材质：12Cr1MoVG，规格：Φ219×11 mm，未使用过，结果如表2所示。

表2 试验数据

图1 热压弯头

图2 珠光体球化2.5级

试验数据符合GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》的规定，但按DL/T773-2016《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》中铁素体加珠光体各个球化级别对应的力学性能(平均值)(表D.1中2级与3级之间)，对比来看，抗拉强度高 100 MPa 左右，下屈服强度高 58 MPa 左右，有一些差距，硬度值基本吻合。在平常锅炉检验中，金相组织球化评级与硬度值背离的情况并不少见。有时金相检验球化评级很高，硬度却不低；有时球化程度很轻微，硬度却偏低。因此，对不同运行时间、不同球化级别的钢材力学性能试验数据还有待积累。有关研究认为:建立球化级别标准，能够明确不同球化程度钢材中金相组织与性能的联系，有助于评价球化程度对于钢材性能改变的作用大小，从而能够通过简易有效的金相检验，并针对影响程度的大小进行定性或者定量分析。但是，珠光体球化对钢材性质造成改变的规律难以阐明，因此尽管有关分级标准给出部分性质的对照数据，但这些标准还处于研究入门期，成熟度不足，难以利用有关标准对对应的金相组织进行精确和定量析。

7 珠光体球化与电站锅炉金属部件失效的关系

7.1 过热器管长期过热爆管

根据有关对12Cr1MoV钢过热器管长期过热爆管破口组织性能的检验，常常在破口处看到严重的球化组织，同时钢的强度明显下降。过热器管长期高温运行时，管子在发生蠕变的同时，珠光体球化不断发展。珠光体变形使得钢材蠕变极限和持久强度严重削弱，引起钢管运行工作中发生蠕变加速。如果在高温中运行时间过长，钢材球化和蠕变速率对比普通运行温度会发生明显上升。钢材显微组织球化反过来会造成钢管蠕变进一步加速，不可避免发生爆管。珠光体球化是长期高温作用下的一种材料学现象，与爆管发生密切相关，但并不是根本原因。尚未发现钢材珠光体球化等级与钢管蠕胀最终爆管之间的规律。

7.2 管道失效

电站锅炉蒸汽管道长期在高温、高压条件下运行，因管径大且在炉外，一旦破坏将造成巨大的危害，保证管道安全尤为重要。火力发电厂蒸汽管道因为高温高压，发生蠕变导致事故的占比并不在少数。由于蒸汽管道工作条件为高温和应力作用，因此同时发生两种变化：1)高温和应力作用条件引起蒸汽管道蠕变变形，管径增大发生蠕胀；2)蒸汽管道钢材在高温和应力作用下发生的组织性质变化，对12Cr1MoV这类珠光体耐热钢包括珠光体球化、合金元素从铁素体转移到碳化物以及碳化物类型的转换过程等“老化”现象，使钢的强度和耐热性下降。这两个过程是有联系的，主要是后者影响前者,由于“老化”过程的进行，钢的强度和耐热性降低,在相同的应力、温度作用下，蒸汽管道将比之前更快的速度蠕变，当蠕变变形达到某极限值时就发生爆破。同理可以认为，珠光体球化是管道长期高温、高压运行所表现出来的现象，是影响因素，而蠕变才是破坏的根源。

8 有关规程对12Cr1MoVG钢珠光体球化的规定

DL/T438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》中涉及珠光体球化的条款总共有4条。分别为：7.2.3.8对运行时间达到或超过20万h，工作温度高于等于 450 ℃ 的主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道，根据检测的金相组织、硬度状况宜割管需要进行评估，焊接接头包含在割管部位内。当割管试验表明材质损伤严重时，应进行寿命评估，管道寿命评估按DL/T940执行。 7.2.3.9 已运行20万h的12Cr1MoVG (其余钢号略)钢制蒸汽管道，经检验符合下列条件，直管段一般可继续运行至30万h:a)实测最大蠕变应变小于0.75%或最大蠕变速度小于0.35×10-7/h。b)监督段金相组织在5级以下；c)未发现严重的蠕变损伤。 8.2.5已运行20万h的12Cr1MoVG (某余钢号略)钢制集箱,经检查符合下列条件，筒体一般可继续运行至30万h:a)金相组织未严重球化(即未达到5级)。b)未发现严重的蠕变损伤。c) 筒体未见明显胀粗。8.2.6对珠化体球化达到5级、硬度下降明显的集箱，应进行寿命评估。

结合上述规定可以得到两个重要结论：a)蠕变变形数据搜集必不可少，同时必须进行蠕变损伤评估；b)即使严重球化(5级)，亦不能轻易判废，而应进行寿命评估。

9 结语

珠光体球化是造成钢材性能受损的重要现象，但也有其他变化过程发生作用，增加了评价工作的复杂性。在实际检验过程中每台锅炉情况不尽相同，抛开金相检验的诸多影响因素及评级中的误差不谈，如仅用单一的球化级别标准来判废钢材，显然与理论背离，与有关规程的规定不符。不能仅根据球化级别提出相应处理意见或建议，应在锅炉检验过程中，正确认识珠光体球化的影响。