12Cr1MoV钢管球化4级性能分析及寿命评估

王道银

(云南天安化工有限公司， 云南安宁 650309)

12Cr1MoV钢是一种性能优良的铁素体加珠光体耐热钢，广泛应用在电站锅炉高温部件中，主要用于蒸汽温度不超过540 ℃的关键部位，如集气集箱、主蒸汽管、过热器集箱、过热蒸汽管、再热蒸汽管等。

该钢种在制造时，通过规定的热处理方式可获得铁素体加珠光体组织，原始珠光体组织球化级别一般为1.0～2.0级(即未球化和轻度球化)，可焊性好，性能优良。

12Cr1MoV钢长期在高温下使用后，珠光体组织中的片状渗碳体会聚集成为球状渗碳体，并被逐渐球化；α固溶体中的合金元素向碳化物发生转移，金相组织发生合金元素贫化；碳化物在晶界内或者边缘沉淀并长大，造成组织劣化，降低钢材的强度，剩余寿命减少[1]。钢材被球化后，韧性、持久性、硬度均降低。

铁素体加珠光体耐热钢的各个球化级别与对应的力学性能有标准参考值[2]。根据该标准参考值，在现场对钢材做球化级别和硬度检验分析，可初步推断材料的剩余强度值。但在实际工程和生产过程中，不同制造厂家的原始球化级别不同、原材料质量差异，以及使用工况变化、使用时间长短等因素，均会对材料使用后期的性能产生很大影响。此时，仅对比标准参考值来判断材料使用后的性能优劣，无法对其剩余寿命做出科学判断。

有相关文献研究表明[3]，12Cr1MoV钢球化速度和硬度之间存在一定关系，即随着运行时间延长，球化速度减缓。在现场获取大量的硬度数据，通过建模来回归分析球化等级和硬度之间的关系，但对于材料真正的性能情况、是否继续使用以及剩余寿命情况，均不能很好地判断。

我国火电厂众多，高压蒸汽管道数量庞大，服役超过30年以上的机组大部分在继续运行[4]。钢管金相组织球化级别达到完全球化或严重球化时，究竟是更换还是继续使用，业内专家观点不一。有的人认为球化级别达到了完全球化和严重球化时，应予以更换；有的人认为完全球化和严重球化虽会导致材料性能下降，但并不代表材料性能不能满足使用要求，不能简单根据球化级别判定管道是否需要更换。

在我国标准规范[5]中明确规定，当12Cr1MoV钢蒸汽管道金相组织珠光体球化达到5级，或者蠕变应变达到1%，再或者蠕变速度大于0.35×10-5%/h时，应割管后再对其材质进行评定和寿命评估。材质评定包括常规的机械性能、高温力学性能、硬度、金相、持久强度、剩余寿命计算等[4]，为蒸汽管道延寿提供技术上的依据，有利于充分发挥蒸汽管道的运行潜力。

1 管道使用情况及存在问题

云南天安化工有限公司3台130 t/h循环流化床高压锅炉于2008年建设，累计运行11万h。高温蒸汽管道材质为12Cr1MoV，管道规格为φ450 mm×38 mm，管道长度约为300 m，操作压力为9.8 MPa，操作温度为540 ℃。2020年，检验单位在现场做金相检验，判定珠光体球化级别为4.0～4.5级(完全球化)。由于接近球化5.0级(严重球化)，检验单位要求更换此管道。如要更换，则准备期及施工期很长，材料费及施工费预估约为600万元。

该条管道服役时间远不足20万h，使用过程中未出现异常工况，蠕变应变和蠕变速率也未超过标准规范要求[5]。未对材料进行全面分析和评估，仅根据球化级别达到4级就简单要求更换，会造成材料浪费，企业也要为更换管道花费不必要的投资。

2021年10月，利用装置大修时机，在管道上随机割管1 m取样材质，对此进行评定和寿命分析，得出相关分析结果。

2 性能检测

性能检测包括宏观检查、化学成分分析、拉伸试验、冲击试验、金相分析、硬度检验、持久强度试验等。

2.1 宏观检查

管道取样品的宏观外貌(见图1)，外表面状态正常。

图1 管道宏观外貌

测量管道取样品圆周方向3个位置的壁厚和外径(见表1)，从测量数据可知，壁厚和外径值正常。

表1 管道壁厚和外径测量值 mm

2.2 化学成分分析

对取样管段进行化学成分分析，结果见表2。由表2可知：管样的化学成分分析结果符合GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoVG的要求。

表2 取样管段化学成分分析结果 %

2.3 拉伸试验

对主蒸汽管段母材取试样进行室温和高温拉伸性能试验(其中，Z代表纵向、H代表横向)，结果见表3和表4。

表3 主蒸汽管段室温拉伸性能试验结果

GB/T 5310—2017中，对于12Cr1MoVG来说，室温时，抗拉强度(Rm)为470～640 MPa，规定塑性延伸强度(Rp0.2)≥255 MPa，断后伸长率(A)纵向≥21.0%，断后伸长率(A)横向≥19.0%；高温时，Rp0.2≥190 MPa。由试验结果可知：室温和高温的力学性能符合标准要求。

表4 主蒸汽管段高温拉伸性能试验结果

2.4 冲击试验

对主蒸汽管段母材取试样进行室温冲击性能试验，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，冲击结果见表5。GB/T 5310—2017中，12Cr1MoVG的冲击功(KV2)中，横向≥27 J，纵向≥40 J。由试验结果可知：主蒸汽管段的纵向、横向冲击功远优于GB/T 5310—2017标准对12Cr1MoVG钢管的要求。

表5 主蒸汽管段室温冲击试验结果 J

2.5 金相分析

对主蒸汽割管段母材取横向、纵向试样，在光学显微镜下对磨抛和侵蚀后的金相样进行观察，形貌见图2和图3。由金相检验结果可知：主蒸汽割管段母材组织为铁素体+珠光体，晶粒度7～8级，组织正常，球化4级。

图2 主蒸汽管段横向块样金相形貌

图3 主蒸汽管段纵向块样金相形貌

2.6 硬度检验

对主蒸汽割管段母材取横向、纵向试样，在沿壁厚方向靠内壁、中部、靠外壁部位进行维氏硬度试验，测试结果见表6。

GB/T 5310—2017 中，要求12Cr1MoVG新钢管的维氏硬度值为135～195 HV。由表6可知：各试验部位维氏硬度值均符合标准对12Cr1MoVG的要求。

2.7 持久强度试验

对取样管母材取横向试样进行持久强度试验。取运行温度540 ℃，在高温蠕变和持久强度试验机上进行持久试验，结果见表7。

表7 主蒸汽管段持久试验结果

3 寿命分析

蒸汽管道寿命评估分析常用的方法有等温线外推法、L-M参数法、θ法[4]。本文采用等温线外推法来进行寿命分析评估。

试验温度取与管道运行相同条件下的温度(540 ℃)，根据试验材料的持久断裂数据，按应力和蠕变断裂时间之间的经验公式(1)确定出试验材料常数k、m。

σ=k(tr)m

(1)

其中：σ为试样加载的应力水平，MPa；tr为断裂时间，h；k、m为试验确定的材料常数。

根据计算结果，k为205.92，m为-0.067 4。

为简化计算并推出应力-断裂时间拟合曲线，对式(1)两边取对数，并令：

y=lgσ，x=lgt，a=lgk，b=m

式(1)简化为标准直线方程：

y=a+bx

(2)

根据上述简化方程以及持久试验数据计算，绘制出主蒸汽管道540 ℃下的应力-断裂时间拟合曲线，见图4。

图4 540 ℃下的应力-断裂时间拟合曲线

根据等温线外推法计算，该材料在540 ℃运行温度下运行1万h，其持久强度为110.71 MPa；运行10万h，其持久强度为94.77 MPa。

经计算，该管道的环向应力为55.45 MPa，根据等温线外推法持久强度推算结果，可知该材料在540 ℃运行温度下再运行10万h后，其持久强度仍然远远高于环向应力。

4 试验结果

对主蒸汽管取样分析，判定壁厚和外径测量值正常，化学成分、硬度值、冲击功、常温力学性能、高温力学性能均符合相关标准规范要求。

主蒸汽割管段金相组织为铁素体加珠光体，球化级别为4.0级。根据持久性能数据，按等温线外推法计算，在正常温度运行条件下，再运行10万h后的材料持久强度仍然高于管段环向应力。根据此结果，可判断该管道材质状态正常，可继续使用，剩余寿命在10万h以上。

5 结语

有了上述理论分析结果，为管道继续运行并充分发挥有效潜力提供了有力的依据。检验单位没有再提出更换该条管线的要求，只需定期开展检测工作，为企业节省了大量的管道材料更换费用。