在役12Cr1MoV 钢锅炉集箱接管试验分析与状态评估

李昱伟，周 勇，王 博

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032）

1 前言

某3 号锅炉对流过热器出口联箱的蒸汽温度为540℃，后屏过热器出口联箱的蒸汽温度为450℃，机组运行时间200000h。该电厂送检三根管样进行理化试验分析，具体试验内容：对管样进行金相分析（包括组织定性、组织老化评定、氧化皮厚度和结构、微裂纹定性、显微硬度检验等）和碳化物的能谱分析。三根管样规格为ø38×5mm，材质均为12Cr1MoV。管样编号及材质如下：1#样，对流过热器出口联箱管（甲向乙第50 排，后向前第1 根）；2#样，对流过热器出口联箱管（乙向甲第10 排，后向前第1 根）；3＃样，对流过热器出口联箱管（甲向乙第15 排，后向前第1根）。

2 试验结果

2.1 化学成分试验

取三个管样的粉末试样进行化学成分试验，按照GB/T20123-2006《钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》[1]、GB/T223.62-1988《钢铁及合金化学分析方法乙酸丁酯萃取光度法测定磷量》[2]、CSM 07 05 94 01-2003《高温合金-硅锰磷铬镍钴铜钼钒钛铝铁含量的测定-发射光谱法》[3]等标准要求进行化学成分试验。试验结果和GB/T5310-2017《高压锅炉用无缝钢管》[4]标准对12Cr1MoV 钢的要求如表1 所示。

表1 试样化学成分/wt%

从试验结果可以看出：三根管样的化学成分符合GB/T5310-2017 对12Cr1MoV 钢的化学成分技术条件要求。

2.2 蠕胀测量

经测量，1#～3# 管样的外径蠕胀量分别约为2.4%、1.6%、1.6%，说明三根管样均发生不同程度的蠕胀。该锅炉的过热器蒸汽出口管长期在高温高压条件下工作，材料性质随着温度而改变，管子的应力也因温度与时间的双重影响而重新分配，蠕胀现象较易发生[5]。

2.3 机械性能试验

2.3.1 布氏硬度试验

从1#～3# 管样切取布氏硬度试样，按照GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1 部分：试验方法》[6]进行布氏硬度试验，载荷187.5kgf，钢球直径ø2.5mm，试验结果和GB/T5310-2017 对12Cr1MoVG钢的布氏硬度要求如表2 所示。试验数据可以看出：1#～3#试样的布氏硬度符合相关标准要求，与其相应的组织老化程度相对应。

表2 1#～3#试样布氏硬度试验结果（HB）

2.3.2 拉伸性能试验

从三根管样各取一个保留原管内外壁状态的条状拉伸试样，试样标距长50mm，按照GB/T228-2021《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》[7]进行室温拉伸试验。试验结果和GB/T5310-2017 对12Cr1MoVG 钢的拉伸性能要求如表3 所示。

表3 拉伸性能试验结果

由试验结果可以看出：

（1）1#、2#试样强度低于GB/T5310-2017 标准对12Cr1MoV 钢的要求，3#试样强度略高于要求的下限值。说明该三根管样均不能满足长期使用要求。

（2）断后伸长率符合标准要求，略高于要求的下限值。

2.4 金相试验

切取1#～3#管样的横向试样，镶嵌、研磨（先在砂轮机上将试样磨平，再用120#、240#、400#、800#、1000#砂纸进行磨光，砂纸由粗到细依次磨光，每道砂纸磨光后变换方向，直到全部划痕及变形层都被完全去除）、抛光（抛光膏由粗到细依次抛光，每道抛光后变换方向，抛光2～3 道；最后一道抛光研磨膏粒度宜选用2.5μm），最后用4%硝酸酒精溶液浸蚀试样检验面，酒精冲洗后用吹风机吹干，在金相显微镜下进行金相组织观察分析。

2.4.1 显微组织及内壁氧化皮特征

依据DL/T884-2019《火电厂金相检验与评定技术导则》[8]，1#、3#试样组织为铁素体+碳化物，晶界碳化物链状分布，出现少量的双晶界，球化4～5 级，晶粒度8 级，见图1、图5；2#试样组织为铁素体+碳化物，尚可见贝氏体形态痕迹，晶界碳化物呈球状分布且已经长大，有的呈链状，球化4 级，晶粒度8 级，见图3。

图1 1＃试样组织

图2 1＃试样内壁氧化皮形貌

图3 2＃试样组织

图4 2＃试样内壁氧化皮形貌

图5 3＃试样组织

1#～3# 试样的内壁氧化皮厚度分别约为：0.59mm、0.47mm、0.55～0.60mm，氧化皮结构均为三层结构，从内层到外层为浅色致密层、深色疏密相间的多层结构、柱状疏松层，见图2、图4、图6。观察氧化皮形貌,可以看出脱落的Fe3O4氧化物原先深褐色的Fe3O4全部被氧化为α-Fe2O3。氧化皮离开金属基体后,失去了铁离子补充,而α-Fe2O3在形成过程中不断消耗氧化皮内部的亚铁离子,使得脱落氧化物内部再次出现弥散的细孔,在表层形成新的致密层[9]。

图6 3＃试样内壁氧化皮形貌

2.4.2 内壁微裂纹及脱碳层检验

1#、2#、3#试样内壁毗邻氧化皮处均产生不同程度的沿晶氧化微裂纹，深度为1～3 个晶粒，见图7。内壁微裂纹性质为沿晶氧化微裂纹。三个试样内外壁均未发现脱碳现象。

图7 内壁沿晶微裂纹形貌

2.4.3 显微硬度试验

对1#～3# 试样进行显微硬度检验，载荷1000kgf，时间14s，检验结果如表4 所示。由以上结果可以看出，1#～3#试样的显微硬度值较低，与其相应的组织老化程度相对应。

表4 1＃～3＃试样显微硬度试验结果/HV

2.5 碳化物中合金元素含量分析

对1#、2#、3#试样显微组织中的碳化物采用半定量的X 射线能谱仪进行分析，谱图及碳化物形貌见图8～图10，结果见表5。试验结果表明，1#～3#试样碳化物中的合金元素Cr、Mo 含量很高，说明大量的合金元素已经从基体弥散状态进入碳化物聚集状态。

表5 1#～3#试样中的碳化物X 射线能谱分析结果/%

图8 1＃试样碳化物成分谱图及碳化物形貌

图9 2＃试样碳化物成分谱图及碳化物形貌

图10 3＃试样碳化物成分谱图及碳化物形貌

3 结论

（1）1#、2#、3#对流过热器出口联箱管已经蠕胀，组织球化4～5 级，老化较严重，且内壁均产生沿晶氧化，沿晶氧化微裂纹深度约为1～3 个晶粒。

（2）1#、2# 样低于GB/T 5310-2017 标准对12Cr1MoV 钢（470MPa）的要求，3# 试样强度略高于标准要求的下限。总之，三根管样强度值较低。

（3）经综合分析评估，上述三根管样不能满足长期使用要求。为安全起见，类似1#、2#、3#管样的接管不宜长期使用，建议加强监督，择机更换。