淺析鍋爐用12Cr1MoVG鋼的珠光體球化

施震山

(云南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，云南 昆明 650228)

12Cr1MoVG屬珠光體熱強(qiáng)鋼，即使 580 ℃ 條件下依然具備優(yōu)良的熱強(qiáng)性和抗氧化性能，同時(shí)保持良好的持久塑性，無(wú)論是在工藝中還是焊接中都極具潛力，是電站鍋爐零部件中的常見(jiàn)材料，適用范圍包括壁溫低于或等于 580 ℃ 的受熱面管和 565 ℃ 的高溫集箱、導(dǎo)汽管及主蒸汽管等。

1 簡(jiǎn)述

12Cr1MoVG顯微組織根據(jù)GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》所述顯微組織主要種類有四種，分別是鐵素體加粒狀貝氏體、鐵素體加珠光體、鐵素體加粒狀貝體加珠光體以及全貝氏體，其中可能混雜有索氏體(為方便討論，文中主要分析鐵素體和珠光體存在下的條件)。

2 珠光體球化

珠光體球化是鋼材在高溫條件下運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間組織特征發(fā)生變化的現(xiàn)象，鋼材當(dāng)中的珠光體是鐵素體和滲碳體(或碳化物)有機(jī)結(jié)合的整合組織。片狀是其多種表現(xiàn)形式中的一種，受溫度的影響發(fā)生球形變化。這個(gè)過(guò)程中包含碳化物的聚集過(guò)程，隨著碳化物球化而不斷膨脹，球體的直徑不斷上升。具體機(jī)制在于，滲碳體原本為片層狀排列，其表面積與體積比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球狀外形之下的表面積與體積比。因此滲碳體發(fā)生片層到球形的外形改變伴隨著外形的球化以及球化之后直徑的上升。而外形的球化以及球化之后體積的上升從微觀層面來(lái)說(shuō)和原子重新排列有關(guān)，也就是原子在高溫下吸收能量進(jìn)行擴(kuò)散的方式。常溫條件中原子沒(méi)有吸收足夠的能量，活動(dòng)能力相對(duì)較弱，使得珠光體球化的現(xiàn)象無(wú)法發(fā)生。隨著高溫條件下能量吸收的逐漸增加，原子的運(yùn)動(dòng)作用愈發(fā)明顯強(qiáng)烈，擴(kuò)散現(xiàn)象增強(qiáng)，最終導(dǎo)致鋼材中的片層狀珠光體發(fā)生外形變化，實(shí)現(xiàn)珠光體的球化。

3 12Cr1MoV鋼珠光體球化評(píng)級(jí)

按DL/T773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，顯微組織按照球化狀況可以分為5級(jí)，分別是：1級(jí)，未球化；2級(jí)，輕度球化；3級(jí)，中度球化；4級(jí)，完全球化；5級(jí)，嚴(yán)重球化。標(biāo)準(zhǔn)中并給出了各個(gè)球化級(jí)別對(duì)應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)(平均值)及硬度值。如表1所示。

表1 常溫下鐵素體加珠光體組織各個(gè)球化級(jí)別的力學(xué)性能

4 影響珠光體球化的因素

溫度、時(shí)間、應(yīng)力是造成珠光體球化的主要影響因素，鋼材顯微組織種類、化學(xué)組成、晶粒度和冷變形等也有影響。

4.1 溫度

溫度與球化過(guò)程的速率呈正相關(guān)，是珠光體球化中的重要影響因素。作用溫度提高幾十?dāng)z氏度，便能夠促進(jìn)球化速度成倍增長(zhǎng)。

在某一溫度下，達(dá)到某種球化程度所需的時(shí)間Q符合如下關(guān)系：

t=Aeb/T

式中：T為金屬的熱力學(xué)溫度；A為與鋼的化學(xué)成分和組織狀態(tài)相關(guān)的常數(shù)；b常數(shù)。

4.2 時(shí)間

當(dāng)溫度一定時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)，則球化越嚴(yán)重。

4.3 應(yīng)力

應(yīng)力將促使球化過(guò)程加速。有文獻(xiàn)認(rèn)為，應(yīng)力條件下將珠光體完全球化用時(shí)對(duì)比缺少應(yīng)力縮短三分之一。

4.4 鋼的化學(xué)組成

鋼材化學(xué)組成能夠?qū)χ楣怏w球化造成較大程度的改變。球化過(guò)程微觀本質(zhì)是碳原子擴(kuò)散速度，意味著能夠結(jié)合碳原子的金屬元素有助于降低碳原子在鐵素體中的運(yùn)動(dòng),從而使珠光體球化減緩。相同溫度下，Cr-Mo-V鋼比Cr-Mo鋼難于球化，Cr- Mo鋼比碳鋼難于球化。

4.5 鋼的顯微組織狀態(tài)

鋼材顯微組織狀態(tài)不同，也會(huì)造成珠光體球化速度發(fā)生改變。

4.6 鋼的晶粒度和冷變形

球化過(guò)程主要發(fā)生在晶界上，因此鋼材粗晶粒相較于細(xì)晶粒更加不易發(fā)生球化。鋼材發(fā)生冷變形時(shí)不穩(wěn)定性上升，意味著冷變形促進(jìn)珠光體發(fā)生球化。

5 珠光體球化對(duì)鋼的性能影響

5.1 對(duì)室溫力學(xué)性能的影響

從DL/T773-2016表D看出隨著球化級(jí)別的升高，室溫抗拉強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度降低，硬度值相應(yīng)降低，而延伸率隨著球化過(guò)程的發(fā)展有所提高。表中未給出各個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)的沖擊韌性數(shù)值，一般認(rèn)為球化會(huì)導(dǎo)致沖擊韌性下降，但有資料指出對(duì)于12Cr1MoV鋼，盡管球化很嚴(yán)重，其室溫沖擊韌性仍然很高，影響不大。

5.2 對(duì)蠕變極限和持久強(qiáng)度下降的影響

有試驗(yàn)資料表明，珠光體球化對(duì)鋼的蠕變極限和持久強(qiáng)度的影響很大，會(huì)加快高溫部件的蠕變速度并減少壽命。相關(guān)報(bào)道中，針對(duì)不同球化程度的12Cr1MoV鋼管，在580℃高溫下測(cè)試持久爆管時(shí)，對(duì)于球化4級(jí)而言，持久強(qiáng)度對(duì)比1級(jí)減少1/3，而球化3級(jí)鋼材的持久強(qiáng)度并沒(méi)有發(fā)生顯著性差異。如果變成 540 ℃，相關(guān)研究報(bào)道的結(jié)果還存在爭(zhēng)議。

6 檢測(cè)實(shí)例及數(shù)據(jù)分析

曾對(duì)一個(gè)表面金相珠光體球化評(píng)級(jí)有爭(zhēng)議的熱壓彎頭(見(jiàn)圖1)進(jìn)行斷面金相(見(jiàn)圖2)及常溫力學(xué)性能檢測(cè)，材質(zhì)：12Cr1MoVG，規(guī)格：Φ219×11 mm，未使用過(guò)，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 熱壓彎頭

圖2 珠光體球化2.5級(jí)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合GB/T5310-2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的規(guī)定，但按DL/T773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中鐵素體加珠光體各個(gè)球化級(jí)別對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能(平均值)(表D.1中2級(jí)與3級(jí)之間)，對(duì)比來(lái)看，抗拉強(qiáng)度高 100 MPa 左右，下屈服強(qiáng)度高 58 MPa 左右，有一些差距，硬度值基本吻合。在平常鍋爐檢驗(yàn)中，金相組織球化評(píng)級(jí)與硬度值背離的情況并不少見(jiàn)。有時(shí)金相檢驗(yàn)球化評(píng)級(jí)很高，硬度卻不低；有時(shí)球化程度很輕微，硬度卻偏低。因此，對(duì)不同運(yùn)行時(shí)間、不同球化級(jí)別的鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)還有待積累。有關(guān)研究認(rèn)為:建立球化級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，能夠明確不同球化程度鋼材中金相組織與性能的聯(lián)系，有助于評(píng)價(jià)球化程度對(duì)于鋼材性能改變的作用大小，從而能夠通過(guò)簡(jiǎn)易有效的金相檢驗(yàn)，并針對(duì)影響程度的大小進(jìn)行定性或者定量分析。但是，珠光體球化對(duì)鋼材性質(zhì)造成改變的規(guī)律難以闡明，因此盡管有關(guān)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出部分性質(zhì)的對(duì)照數(shù)據(jù)，但這些標(biāo)準(zhǔn)還處于研究入門(mén)期，成熟度不足，難以利用有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)對(duì)應(yīng)的金相組織進(jìn)行精確和定量析。

7 珠光體球化與電站鍋爐金屬部件失效的關(guān)系

7.1 過(guò)熱器管長(zhǎng)期過(guò)熱爆管

根據(jù)有關(guān)對(duì)12Cr1MoV鋼過(guò)熱器管長(zhǎng)期過(guò)熱爆管破口組織性能的檢驗(yàn)，常常在破口處看到嚴(yán)重的球化組織，同時(shí)鋼的強(qiáng)度明顯下降。過(guò)熱器管長(zhǎng)期高溫運(yùn)行時(shí)，管子在發(fā)生蠕變的同時(shí)，珠光體球化不斷發(fā)展。珠光體變形使得鋼材蠕變極限和持久強(qiáng)度嚴(yán)重削弱，引起鋼管運(yùn)行工作中發(fā)生蠕變加速。如果在高溫中運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鋼材球化和蠕變速率對(duì)比普通運(yùn)行溫度會(huì)發(fā)生明顯上升。鋼材顯微組織球化反過(guò)來(lái)會(huì)造成鋼管蠕變進(jìn)一步加速，不可避免發(fā)生爆管。珠光體球化是長(zhǎng)期高溫作用下的一種材料學(xué)現(xiàn)象，與爆管發(fā)生密切相關(guān)，但并不是根本原因。尚未發(fā)現(xiàn)鋼材珠光體球化等級(jí)與鋼管蠕脹最終爆管之間的規(guī)律。

7.2 管道失效

電站鍋爐蒸汽管道長(zhǎng)期在高溫、高壓條件下運(yùn)行，因管徑大且在爐外，一旦破壞將造成巨大的危害，保證管道安全尤為重要。火力發(fā)電廠蒸汽管道因?yàn)楦邷馗邏?，發(fā)生蠕變導(dǎo)致事故的占比并不在少數(shù)。由于蒸汽管道工作條件為高溫和應(yīng)力作用，因此同時(shí)發(fā)生兩種變化：1)高溫和應(yīng)力作用條件引起蒸汽管道蠕變變形，管徑增大發(fā)生蠕脹；2)蒸汽管道鋼材在高溫和應(yīng)力作用下發(fā)生的組織性質(zhì)變化，對(duì)12Cr1MoV這類珠光體耐熱鋼包括珠光體球化、合金元素從鐵素體轉(zhuǎn)移到碳化物以及碳化物類型的轉(zhuǎn)換過(guò)程等“老化”現(xiàn)象，使鋼的強(qiáng)度和耐熱性下降。這兩個(gè)過(guò)程是有聯(lián)系的，主要是后者影響前者,由于“老化”過(guò)程的進(jìn)行，鋼的強(qiáng)度和耐熱性降低,在相同的應(yīng)力、溫度作用下，蒸汽管道將比之前更快的速度蠕變，當(dāng)蠕變變形達(dá)到某極限值時(shí)就發(fā)生爆破。同理可以認(rèn)為，珠光體球化是管道長(zhǎng)期高溫、高壓運(yùn)行所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象，是影響因素，而蠕變才是破壞的根源。

8 有關(guān)規(guī)程對(duì)12Cr1MoVG鋼珠光體球化的規(guī)定

DL/T438-2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中涉及珠光體球化的條款總共有4條。分別為：7.2.3.8對(duì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到或超過(guò)20萬(wàn)h，工作溫度高于等于 450 ℃ 的主蒸汽管道、高溫再熱蒸汽管道，根據(jù)檢測(cè)的金相組織、硬度狀況宜割管需要進(jìn)行評(píng)估，焊接接頭包含在割管部位內(nèi)。當(dāng)割管試驗(yàn)表明材質(zhì)損傷嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)進(jìn)行壽命評(píng)估，管道壽命評(píng)估按DL/T940執(zhí)行。 7.2.3.9 已運(yùn)行20萬(wàn)h的12Cr1MoVG (其余鋼號(hào)略)鋼制蒸汽管道，經(jīng)檢驗(yàn)符合下列條件，直管段一般可繼續(xù)運(yùn)行至30萬(wàn)h:a)實(shí)測(cè)最大蠕變應(yīng)變小于0.75%或最大蠕變速度小于0.35×10-7/h。b)監(jiān)督段金相組織在5級(jí)以下；c)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的蠕變損傷。 8.2.5已運(yùn)行20萬(wàn)h的12Cr1MoVG (某余鋼號(hào)略)鋼制集箱,經(jīng)檢查符合下列條件，筒體一般可繼續(xù)運(yùn)行至30萬(wàn)h:a)金相組織未嚴(yán)重球化(即未達(dá)到5級(jí))。b)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的蠕變損傷。c) 筒體未見(jiàn)明顯脹粗。8.2.6對(duì)珠化體球化達(dá)到5級(jí)、硬度下降明顯的集箱，應(yīng)進(jìn)行壽命評(píng)估。

結(jié)合上述規(guī)定可以得到兩個(gè)重要結(jié)論：a)蠕變變形數(shù)據(jù)搜集必不可少，同時(shí)必須進(jìn)行蠕變損傷評(píng)估；b)即使嚴(yán)重球化(5級(jí))，亦不能輕易判廢，而應(yīng)進(jìn)行壽命評(píng)估。

9 結(jié)語(yǔ)

珠光體球化是造成鋼材性能受損的重要現(xiàn)象，但也有其他變化過(guò)程發(fā)生作用，增加了評(píng)價(jià)工作的復(fù)雜性。在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中每臺(tái)鍋爐情況不盡相同，拋開(kāi)金相檢驗(yàn)的諸多影響因素及評(píng)級(jí)中的誤差不談，如僅用單一的球化級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判廢鋼材，顯然與理論背離，與有關(guān)規(guī)程的規(guī)定不符。不能僅根據(jù)球化級(jí)別提出相應(yīng)處理意見(jiàn)或建議，應(yīng)在鍋爐檢驗(yàn)過(guò)程中，正確認(rèn)識(shí)珠光體球化的影響。