長期運行后12Cr2Mo鋼焊接接頭組織性能研究

黃芬

(中材集團科技開發(fā)有限公司，北京100831)

1 試驗材料及方法

試樣取自某電廠2 號鍋爐末級過熱器。該鍋爐型號為IHI－FWSR，亞臨界，中間一次再熱自然循環(huán)汽包鍋爐，蒸發(fā)量1 070 t/h，主蒸汽溫度538℃，壓力16.6 MPa。末級過熱器管規(guī)格Φ45 mm×8.5 mm，末級過熱器出口蒸汽溫度541 ℃，壓力17.1 MPa。焊接接頭材料為12Cr2Mo 鋼，至2012年3月累計運行約12 萬h。

末級過熱器管材的化學(xué)成分通過ARC－MET930型定量光譜分析儀及AW2000E 型高速紅外碳硫分析儀進行檢測。金相試樣取末級過熱器管材焊接接頭的截面，經(jīng)過預(yù)磨、機械拋光、4%硝酸酒精溶液侵蝕后，在蔡司(Axio Oberver Alm)顯微鏡上進行金相觀察。硬度試驗在MH－6 型維氏硬度計進行，拉伸試驗在UTM5105 型萬能材料試驗機上進行，其拉伸速率為2 mm/min。焊接接頭的顯微組織分析在Sirion200 型掃描電鏡上進行。

2 實驗結(jié)果

2.1 成分分析

12Cr2Mo 合金中的Fe 是基體元素，Cr 和Mo為主要合金元素，Cr 固溶于鋼中以顯著提高鋼的淬透性，Mo 固溶于鋼中以消除回火脆性，并提高鋼的淬透性，同時Cr，Mo 是碳化物形成元素，共同降低鋼中碳活度，穩(wěn)定碳化物，細(xì)化晶?！?〕。末級過熱器的合金成分如表1 所示，各化學(xué)元素含量符合文獻〔3〕標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 末級過熱器管的元素含量分析 %

2.2 金相組織

長期高溫運行后焊接接頭的金相組織形貌如圖1－4 所示。12Cr2Mo 母材離熱影響區(qū)5 mm 處金相組織為鐵素體+珠光體+碳化物，珠光體球化3.5級，母材中殘余珠光體量比較少且變粗大，在晶界和晶內(nèi)析出大量的碳化物，碳化物在晶界上形成鏈狀或網(wǎng)狀組織，如圖1 所示。熱影響區(qū)與母材組織仍然有明顯的界線，熱影響區(qū)的組織比母材組織細(xì)小，熱影響區(qū)的金相組織為回火貝氏體+碳化物，貝氏體已4 級老化，在晶界和晶內(nèi)析出大量的碳化物，碳化物在晶界上呈鏈狀分布，如圖2、圖3 所示。焊接接頭的熔合線已經(jīng)不可見，焊縫的金相組織為粗大的回火馬氏體，在晶界和晶內(nèi)析出大量的碳化物，晶內(nèi)的部分碳化物已長大到約2 μm，如圖4 所示。

圖1 離熱影響區(qū)5 mm 處母材金相組織

圖2 熱影響區(qū)邊界金相組織(100×)

圖3 熱影響區(qū)金相組織(500×)

圖4 焊縫區(qū)金相組織

2.3 硬度試驗

硬度試驗按照文獻〔4〕進行，試驗結(jié)果如圖5 所示。焊縫兩側(cè)母材區(qū)的硬度均勻，平均為150HV，沒有硬度值大幅變化的區(qū)域;從母材區(qū)到焊縫區(qū)的熱影響區(qū)內(nèi)硬度快速增大，左側(cè)5 mm 內(nèi)硬度從150 HV 升高到230 HV，右側(cè)7 mm 內(nèi)硬度從230 HV 降到150 HV，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的寬度不一致。焊縫區(qū)的硬度值達到最高點，整體硬度均勻，平均值為230 HV。

圖5 焊接接頭硬度分布

2.4 拉伸試驗

拉伸試驗按照文獻〔5〕進行，其抗拉強度平均值為448 MPa，試樣斷裂位置均在熱影響區(qū)。12Cr2Mo 合金的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度值為450～600 MPa〔3〕，焊接接頭拉伸性能滿足文獻〔6〕規(guī)程要求，規(guī)程要求焊接接頭強度不低于母材規(guī)定最小抗拉強度的95%。

2.5 顯微分析

圖6 為離熱影響區(qū)約5 mm 處母材的組織，晶內(nèi)部分區(qū)域含有殘余的片層狀滲碳體，尺寸在10 μm 量級，晶內(nèi)同時彌散分布大量細(xì)小的球狀滲碳體。晶界處滲碳體已經(jīng)球化，并聚集長大，形成鏈狀或網(wǎng)狀碳化物。圖7 和表2 為母材區(qū)晶界析出物能譜及合金元素定量分析，結(jié)果表明晶界析出物為含Cr 和Mo 的滲碳體。圖8 為熱影響區(qū)的顯微組織，碳化物在晶界析出并聚集長大，晶內(nèi)只有少量球狀滲碳體。圖9 為焊縫區(qū)的顯微組織，碳化物在板條狀組織的邊界聚集長大，板條狀組織內(nèi)部幾乎無析出的碳化物。

表2 母材晶界析出物的合金元素定量分析 %

圖6 離熱影響區(qū)約5 mm 處母材SEM 照片

圖7 母材晶界析出物能譜

圖8 熱影響區(qū)SEM 照片

圖9 焊縫區(qū)SEM 照片

3 分析與討論

12Cr2Mo 鋼屬于珠光體耐熱鋼，正常金相組織為鐵素體+珠光體，珠光體組織中的滲碳體是片層狀的。同樣體積下片狀滲碳體比球狀滲碳體具有更大的表面積，因此片狀滲碳體的表面能高。熱力學(xué)基本理論表明，能量高的狀態(tài)總有向能量低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢，所以片狀滲碳體總有自發(fā)趨向于球狀的趨勢。當(dāng)材質(zhì)在高溫高壓(高應(yīng)力)長期運行時，原子的能量變高，擴散速度加快，片狀滲碳體就變得不穩(wěn)定，會逐漸地球化且進一步聚集長大以過渡到能量狀態(tài)更低的球形穩(wěn)定狀態(tài)。末級過熱器12Cr2Mo 鋼管在高溫高壓下運行約12 萬h 后，母材區(qū)的珠光體球化達到3.5 級，含Cr 和Mo 的滲碳體球化并在晶界聚集長大，整個母材區(qū)的組織變化一致，硬度均勻。

熱影響區(qū)的組織為晶粒更細(xì)小的回火貝氏體，靠近焊縫區(qū)的母材在焊接時，溫度升高達到AC3線以上，在隨后的冷卻及熱處理過程中組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹭愂象w，長期高溫高壓運行后，貝氏體發(fā)生4級老化，碳化物在晶界析出并聚集長大，晶內(nèi)只有少量球狀滲碳體。越靠近焊縫區(qū)的熱影響區(qū)焊接時溫升越大，在冷卻時會部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，所以熱影響區(qū)的硬度變化較大，從母材向焊縫區(qū)硬度快速增大。

焊縫區(qū)為熔融合金凝固區(qū)，組織為粗大的回火馬氏體，長期高溫高壓運行后，碳化物在板條狀組織的邊界聚集長大，板條狀組織內(nèi)部幾乎無析出的碳化物。

該鍋爐末級過熱器用12Cr2Mo 鋼焊接接頭經(jīng)約12 萬h 高溫高壓運行后，組織發(fā)生球化(老化)，但未達到須換管的5 級球化(老化)〔7〕，焊接接頭組織中未發(fā)現(xiàn)蠕變空洞、裂紋等影響安全運行缺陷，其力學(xué)性能在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，因此該鍋爐末級過熱器用12Cr2Mo 鋼焊接接頭可繼續(xù)服役。

4 結(jié)論

12Cr2Mo 鋼焊接接頭運行約12 萬h 后組織老化明顯:

1)母材區(qū)的珠光體球化達到3.5 級，含Cr 和Mo 的滲碳體球化并在晶界聚集長大，碳化物在晶界上形成鏈狀或網(wǎng)狀組織，整個母材區(qū)的組織變化一致，硬度均勻;

2)熱影響區(qū)的貝氏體發(fā)生4 級老化，碳化物在晶界析出并聚集長大，晶內(nèi)只有少量球狀滲碳體，硬度從母材向焊縫區(qū)硬度快速增大;

3)焊縫區(qū)的組織為粗大的回火馬氏體，碳化物在板條狀組織的邊界聚集長大，晶內(nèi)的部分碳化物已長大到約2 μm。

相對而言，熱影響區(qū)組織組織老化較其他區(qū)域嚴(yán)重，是監(jiān)視材質(zhì)劣化的重點部位。

〔1〕DL/T654—1998 火電廠超期服役機組壽命評估技術(shù)導(dǎo)則〔S〕．北京:中國電力出版社，1998.

〔2〕火力發(fā)電廠金屬材料手冊編委會. 火力發(fā)電廠金屬材料手冊〔M〕. 北京:中國電力出版社，2000:253-255．

〔3〕GB5310—2008 高壓鍋爐用無縫鋼管〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

〔4〕GB/T4340.1—2009 金屬材料維氏硬度試驗 第1 部分:試驗方法〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

〔5〕GB/T228.1—2010 金屬材料拉伸試驗 第1 部分:室溫試驗方法〔S〕． 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

〔6〕DL/T868—2004 焊接工藝評定規(guī)程〔S〕． 北京:中國電力出版社，2004.

〔7〕DL/T438—2009 火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程〔S〕． 北京:中國電力出版社，2009.