长期服役后末级再热器12Cr1MoVG钢管的组织性能和剩余寿命评估

刘泰然, 张一可, 王志武, 句光宇

(1.河南农业大学, 郑州 450046；2.武汉大学, 武汉 430072；3.中国大唐集团科学技术研究院有限公司 华中电力试验研究院, 郑州 450000)

12Cr1MoVG钢是一种具有良好抗高温蠕变性能、耐高温腐蚀和抗氧化性能的合金钢，广泛应用于电厂锅炉主蒸汽管、过热器管和再热器管[1-2]，其供货状态为正火+回火态，组织为铁素体+贝氏体[3-4]。由于该材料长期服役于高温环境中易发生珠光体球化、碳化物沿铁素体晶界析出和粗化，导致材料使用性能下降[5-6]，严重时会危害锅炉部件的安全。张彦文等[7]研究了火电厂用12Cr1MoVG 钢管在使用过程中发生早期爆管失效的原因，研究表明：钢管受腐蚀介质影响，内壁发生减薄，出现蠕变孔洞，进而发生爆管。杨滨等[5]研究了火电厂用12Cr1MoV钢主蒸汽管道长期服役后的组织性能变化，结果表明：材料组织发生了明显的珠光体球化，碳化物和晶粒长大，高温屈服强度和抗拉强度也明显下降。YAN等[4]采用扫描电镜原位拉伸试验，研究了服役20 000 h和200 000 h后的12Cr1MoVG 钢的组织性能，结果表明：材料均发生了珠光体球化，碳化物沿晶界析出，材料断裂性能下降。

笔者以某发电厂300 MW火电机组锅炉末级再热器12Cr1MoVG钢管为研究对象，该设备已累计运行超过1×105h，在运行期间的几次维修中，经检测发现12Cr1MoVG钢的显微组织已发生珠光体球化，为了评估机组的安全状态，对该末级再热器钢管进行组织观察、性能分析以及寿命评估，以期为12Cr1MoVG钢的应用提供更多参考。

1 试验材料与方法

试验材料取自服役时间超过1×105h的锅炉末级再热器管道，钢管规格为φ63 mm×4.5 mm，材料为12Cr1MoVG钢。在第22排最外圈(编号为A22)、第39排最外圈(编号为A39)和最内圈(编号为B39)、第55排最外圈(编号为A55)管道截取试样，分别在管道向火侧和背火侧取金相试样和室温拉伸试样，取样部位如图1所示，拉伸试样尺寸如图2所示。

图1 拉伸试样取样部位Fig.1 Sampling location of tensile sample

图2 拉伸试样尺寸Fig.2 Size of tensile sample

宏观观察管道内外壁的表面状态，测量管道内外壁氧化膜厚度和有效壁厚，采用尼通XL3t980型合金分析仪测定管道的化学成分。采用HV-1000型维氏硬度计测量管道向火侧和背火侧内外壁的维氏硬度。采用三思纵横UTM5105型电子万能试验机测定试样的室温拉伸性能，并进行强度校核。采用蔡司Axio Lab.A1型金相显微镜和MIA3LMH型场发射扫描电镜(SEM)分析材料的珠光体组织形态、蠕变孔洞，评估珠光体球化级别和蠕变状态，结合Aztec Energy Standard X-MaxN20 型能谱仪(EDS)的分析结果，分析组织的老化状态。

2 结果与讨论

2.1 氧化层厚度检测

再热器管道的实测尺寸结果如表1所示。由表1可知：只有A39管道的全壁厚度是负偏差，其余管道均为正偏差；只有B39管道的金属壁厚未发生减薄，A55管道的内外壁氧化膜总厚度超过450 μm，这表明再热器管道在工作时出现超温现象，管道在超温环境中，氧化剧烈，导致氧化膜厚度过厚[8-9]。

表1 再热器管道的实测尺寸Tab.1 Measured dimensions of reheater pipes

2.2 化学成分分析

再热器管道的化学成分分析结果如表2所示。由表2可知，服役超过1×105h后，各管道的化学成分符合GB/T 5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG钢的技术要求，表明材料未发生显著的元素贫化。

表2 再热器管道的化学成分分析结果Tab.2 Chemical composition analysis results of reheater pipes

2.3 力学性能试验及强度校核

2.3.1 力学性能试验

为评估材料的性能，从每个管道的背火侧和向火侧各取两个试样，在试验机上进行室温拉伸试验，试验温度为24 ℃，取两个试样实测结果的平均值。根据DL/T 438-2016《火力发电厂金属技术监督规程》，对试样进行硬度试验，室温拉伸试验和维氏硬度测试结果见表3。由表3可见，末级再热器管道服役超过1×105h后，各管道硬度值均符合DL/T 438-2016的技术要求，其抗拉强度、屈服强度和延伸率仍满足GB/T 5310-2017对12Cr1MoV钢的技术要求。

表3 再热器管道的室温拉伸性能和维氏硬度Tab.3 Room temperature tensile properties and Vickers hardness of reheater pipes

2.3.2 强度校核

为评估材料的运行状态，参照DL/T 654-2009《火电机组寿命评估技术导则》的推荐公式，计算材料的运行当量温度和环向应力。

材料环向应力计算公式如式(1)所示。

σeq=P(D0-S)/(2S)(1)

式中：P为管道正常运行下的压力，MPa；D0为管道外径，mm；S为管道壁厚，mm；σeq为环向应力。

管壁运行当量温度和内壁氧化膜厚度满足式(2)。

T={a/[b+lgt-2lg(0.467 8x)]}-273.15(2)

式中：T为过热器管道金属的当量温度， ℃；t为管道的运行时间，h；x为管道内壁氧化膜厚度，mm；a，b为材料的常数。

12Cr1MoV钢管的额定蒸汽工作压力为17.47 MPa，在进行强度校核时，对实测金属壁厚进行环向应力计算，计算结果如表4所示。由表4可见，各再热器管道的环向应力均低于GB/T 16507.2-2013《水管锅炉》标准中规定的12Cr1MoVG钢管的许用应力，强度校核合格，管道处于应力安全状态。

表4 再热器管道的管壁运行当量温度和运行应力Tab.4 Equivalent operating temperature of pipe wall and stress on service of reheater pipes

2.4 显微组织观察及珠光体球化评级

根据DL/T 773-2016 《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》，对各管道的向火面和背火面的显微组织进行观察，结果如图3所示，并对各管道的显微组织进行珠光体球化评定。由图3可知：A55管道的珠光体球化程度最为严重，珠光体球化程度达到4级及以上，一些区域珠光体形态已完全消失，晶内碳化物显著减少；其余管道的珠光体球化程度为3～4级，片层状珠光体区域已显著分散，仍保留原有的形态。

图3 再热器各管道不同位置处的显微组织Fig.3 Microstructure at different positions of reheater pipes:a) B39, back fire side; b) B39, towards fire side; c) A22, back fire side; d) A22, towards fire side;e) A39, back fire side; f) A39, towards fire side; g) A55, back fire side; h) A55, towards fire side

2.5 扫描电镜及能谱分析

由图4可知：A55管道珠光体球化程度达到4级及以上，仅有少许片层状珠光体，晶内碳化物较少，呈点状分布，晶界碳化物较多，颗粒较大，沿晶界呈不连续链状、条状分布，说明珠光体中的碳化物已经向晶界大量转移，珠光体球化基本完成；其余管道的珠光体球化程度为3～4级，仍可见保留原珠光体特征的晶粒，片状碳化物已经聚集长大呈现短条状、点状特征，导致珠光体层片状特征消失，晶界析出较多碳化物。SEM分析结果表明，各管道晶界均有碳化物析出,未见蠕变孔洞，无需进行蠕变评级，因此管道不会形成蠕变破坏，能够继续安全运行。

图4 再热器各管道不同位置处的SEM形貌Fig.4 SEM morphology Microstructure at different positions of reheater pipes:a) B39, back fire side; b) B39, towards fire side; c) A22, back fire side; d) A22, towards fire side;e) A39, back fire side; f) A39, towards fire side; g) A55, back fire side; h) A55, towards fire side

由表5可知：晶界析出相中均含有铬，其质量分数最高达到14.73%，而基体内的铬含量均较低，说明基体中的铬已向晶界大量转移形成碳化物；部分管道晶界析出相中含钼，基体中钼含量较低，说明基体中的大部分钼都已转移到晶界，由于钼含量较低，部分晶界析出相中未能检测到钼，说明钼元素已产生了显著的再分配；晶界碳化物含有较多锰，说明锰元素也从基体向晶界处转移；钒含量在晶界和晶内均较为稳定，晶界处检测出的钒是热处理过程中析出的。基体中的钼、铬、锰都是可提高材料热强性的合金元素，大量的合金元素从基体向晶界碳化物中的再分配，致使材料的热强性显著下降[7]。

表5 再热器各管道晶界析出相和基体的EDS分析结果Tab.5 EDS analysis results of grain boundary precipitated phase and matrix of reheater pipes

2.6 剩余寿命评估

为分析材料的剩余使用寿命，采用参数外推法进行评估。当已知管壁的运行当量温度、应力，即可通过公式(3)估算管道的剩余使用寿命(即断裂时间)。对于12Cr1MoV钢的L-M参数由公式(3)表示，P(σ)由P(σ)-σ曲线确定，P(σ)-σ曲线通过查阅DL/T 654-2009《火电机组寿命评估技术导则》得到。

P(σ)=T(22+lgtr)(3)

式中：tr为断裂时间，h。

管壁运行当量温度由公式(3)计算得出，结果如表6所示。由表6可知，再热器管道的剩余使用寿命均超过100 000 h，材料整体处于较为安全的状态。

表6 再热器管道的剩余使用寿命Tab.6 Remaining service life of reheater pipes

3 结论

(1) 再热器管道的化学成分均符合技术要求，力学性能均满足国家标准要求，强度校核合格，管道处于应力安全状态。

(2) 再热器管道珠光体球化级别处于3～4级，合金元素产生了明显的再分配现象，固溶合金元素贫化明显。未观察到蠕变孔洞，蠕变处于稳定的第二阶段。根据氧化膜厚度计算得到的管壁运行当量温度超过额定蒸汽温度(541 ℃)，存在超温现象，但是未超过12Cr1MoV钢的最高使用温度(580 ℃)，处于安全温度范围。根据氧化膜厚度估算的再热器管道的剩余使用寿命均超过100 000 h。