楊 濱,孫文起,蔣文春,趙延靈

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院,重質(zhì)油國家重點(diǎn)實驗室,青島 ２６６５８０)

    摘 要:研究了１２Cr１MoV 鋼主蒸汽管道在長時(２６a)服役后的顯微組織以及室溫與高溫拉伸性能,并與未服役鋼管的進(jìn)行了對比.結(jié)果表明:長時服役后鋼管的組織退化表現(xiàn)為珠光體明顯球化、層狀 Fe３C相明顯碎化、鐵素體中析出 M７C３ 型碳化物以及晶粒明顯長大;與未服役鋼管相比,長時服役后鋼管的室溫屈服強(qiáng)度明顯降低,但室溫抗拉強(qiáng)度變化不大,高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度則均明顯降低;長時服役后鋼管的室溫拉伸斷口存在典型的纖維區(qū)和撕裂區(qū),為韌性斷裂,高溫拉伸時發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂.

關(guān)鍵詞:長時服役;顯微組織;主蒸汽管道;拉伸性能

中圖分類號:TB３５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００２４Ｇ０４

０ 引 言

     ２０世紀(jì)８０年代建造的火電廠機(jī)組的操作時間已經(jīng)接近甚至超過其初始設(shè)計壽命(３０a),面臨的超期服役問題日趨嚴(yán)峻.作為連接鍋爐與汽輪機(jī)的“主動脈”,主蒸汽管道長期在高溫、高壓下工作,是火電廠四大管道中運(yùn)行工況最惡劣、事故發(fā)生數(shù)量最多的部件[１];其長時甚至超時服役嚴(yán)重影響了火電廠的正常發(fā)電和安全運(yùn)行[２].但是,批量更換長時服役的主蒸汽管道并不符合我國當(dāng)前的基本國情:新主蒸汽管道的鋪設(shè)時間長,停車更換與當(dāng)前持續(xù)遞增的能源需求相矛盾;主蒸汽管道的制造成本高,會加重火電廠的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān).因此,對主蒸汽管道進(jìn)行狀態(tài)檢修和延壽評估是火電廠的重要工作內(nèi)容之一.

    在長時服役過程中,主蒸汽管道會發(fā)生組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[３Ｇ４]、析出物粗化[５]、蠕變孔洞萌生Ｇ長大Ｇ聚合[６]等變化;這些蠕變損傷會削弱材料的析出強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化等作用,降低其承載能力,從而增大設(shè)備的失效風(fēng)險[７].為將風(fēng)險維持在可控范圍之內(nèi),需要更細(xì)致地表征主蒸汽管道的損傷情況,明確材料組織損傷與力學(xué)性能退化之間的關(guān)系[８].但是,蠕變是一個與時間密切相關(guān)的過程,在實驗室進(jìn)行的蠕變以及長時時效研究采用的都是加速試驗方法,其蠕變機(jī)制與實際工況下的有所不同,這會給組織損傷分析帶來很大的不確定性.為此,作者以某煉化廠動力車間服役２６a的火電機(jī)組用１２Cr１MoV 鋼主蒸汽管道為研究對象,觀察了該鋼管的顯微組織,測 試 了 其 室 溫、高 溫 拉 伸 性 能,并 與 未 服 役１２Cr１MoV鋼管的進(jìn)行了對比,分析了長時服役條件下顯微組織以及拉伸性能的退化程度,為剩余壽命評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

１ 試樣制備與試驗方法

    試驗材料取自某煉化廠動力車間服役２６a的主蒸汽鋼管以及未服役鋼管(見圖１),鋼管材料為１２Cr１MoV 鋼,外徑和壁厚分別為 ２７４,３４ mm,生產(chǎn)廠家相同.服役溫度為５２０ ℃,壓力為１１ MPa.

未服役１２Cr１MoV 鋼管的化學(xué)成分見表１.

    在未服役和服役２６a的１２Cr１MoV 鋼管上線切割出金相試樣,經(jīng)機(jī)械拋光,用體積分?jǐn)?shù)４％硝酸酒精溶液腐蝕后,在 LeicaDM４ M 型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSMＧ６６１０A 型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察顯微組織.

    在未服役和服役２６a的１２Cr１MoV 鋼管近外壁處制備出直徑５mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣,尺寸見圖２.采用MTSLandmark３７０．１０拉伸試驗系統(tǒng),分別按照 GB/T２２８．１－２０１０和 GB/T４３３８－２００６進(jìn)行室溫(２０ ℃)和高溫(５２０ ℃)拉伸試驗,引伸計標(biāo)距為２０ mm,采用位移控制模式,拉伸速度為０．０６mm??min－１.在不施加任何軸向載荷條件下,將試樣從室溫加熱至５２０℃保溫３０min后進(jìn)行高溫拉伸試驗.為降低偶然性,每組試驗各重復(fù)一次.

圖２ 拉伸試樣的尺寸

Fig．２ Dimensionoftensilespecimen

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

    由圖３可見:未服役鋼管的顯微組織主要由鐵素體和珠光體組成,珠光體內(nèi)具有致密的層狀結(jié)構(gòu),鐵素體內(nèi)部及晶界處均未發(fā)現(xiàn)明顯的析出物;長時服役(即服役２６a)后鋼管的顯微組織也主要由鐵素體和珠光體組成,但珠光體發(fā)生明顯球化,珠光體內(nèi)的層狀 Fe３C相明顯碎化,鐵素體內(nèi)析出大量 M７C３型碳化物且出現(xiàn)零星的蠕變孔洞,晶界處未出現(xiàn)明顯的蠕變孔洞,但析出了鏈狀 M２３C６ 型碳化物.應(yīng)用圖像分析方法[９]統(tǒng)計得到未服役鋼管和長時服役鋼管的晶粒直徑分別約為２０,３５μm,可見長時服役后的晶粒尺寸明顯增大.

    實驗室模擬長時時效通常采用提高溫度的放大加速試驗,材料受溫度影響較大.在實驗室模擬長時時效條件下,１２Cr１MoV 鋼的組織退化主要表現(xiàn)為碳化物類型、尺寸和數(shù)量的變化以及珠光體的球化.例如:姜勇等[１０]的長時時效試驗表明,碳化物類型和含量的變化是１２Cr１MoV 鋼組織退化的主要形式;張而耕等[１１]的研究結(jié)果也顯示,１２Cr１MoV

    鋼的劣化程度主要與碳化物的變化有關(guān).由于固溶合金元素會隨著碳化物類型的轉(zhuǎn)變而變化[１２],因此在實驗室模擬長時時效下的組織退化主要影響的是１２Cr１MoV 鋼的固溶強(qiáng)化作用.在真實工況下,溫度和載荷對材料均有明顯的影響,在熱力學(xué)驅(qū)動力及擴(kuò)散動力的作用下,晶粒會持續(xù)而緩慢地長大.

    由于晶粒長大速率很小,需要較長時間后才能觀測到晶粒尺寸的明顯變化,因此在實驗室模擬時間較短條件下,無法觀測到明顯的晶粒尺寸變化.

２．２ 拉伸性能

    由圖４可以看出:未服役鋼管在室溫(２０ ℃)和高溫(５２０ ℃)下的拉伸曲線均沒有出現(xiàn)屈服平臺,但長時服役后的鋼管均出現(xiàn)了明顯的屈服平臺;長時服役 后 鋼 管 的 室 溫 屈 服 強(qiáng) 度 由 未 服 役 鋼 管 的３７７．７ MPa降低至２２９．６ MPa,長時服役和未服役鋼管的室溫抗拉強(qiáng)度分別為４７５．８,４７４．６ MPa,相差很小;長時服役后鋼管的高溫屈服強(qiáng)度和高溫抗拉強(qiáng)度分別為１７３．７,１９７．２MPa,明顯低于未服役鋼管的(２５７．３,４１５．２MPa).結(jié)合顯微組織分析可知,長時服役后鋼管組織雖然發(fā)生了珠光體球化的變化,但在室溫下依然表現(xiàn)出較好的抗拉性能,球化的珠光體

     僅導(dǎo)致了屈服強(qiáng)度的明顯降低;在高溫下,在熱力學(xué)驅(qū)動力的作用下球化珠光體的片層間距進(jìn)一步增大,同時晶粒尺寸變大使得晶界總長度減小,致使晶界強(qiáng)化作用減弱,且碳化物的進(jìn)一步析出導(dǎo)致固溶強(qiáng)化效果減弱,同時不斷聚集長大的碳化物引起局部應(yīng)力集中,在上述因素的影響下,長時服役后鋼管的高溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均大幅降低.

    由圖５可知:長時服役后,鋼管的室溫拉伸斷口包含典型的纖維區(qū)和剪切撕裂區(qū),且局部有明顯的韌窩,為韌性失效;其高溫拉伸斷口未發(fā)現(xiàn)明顯的剪切區(qū),局部為準(zhǔn)解理失效.這表明長時服役后鋼管的常溫和高溫拉伸性能的退化機(jī)理是有差異的.這是因為不同溫度下晶內(nèi)和晶界的相對強(qiáng)度不同;室溫拉伸性能主要由晶內(nèi)強(qiáng)度決定,高溫拉伸性能則主要由晶界強(qiáng)度決定.因此,不能簡單地通過關(guān)聯(lián)室溫和高溫拉伸性能來建立簡化的壽命評估判據(jù),而應(yīng)進(jìn)一步研究力學(xué)性能退化的溫度相關(guān)性.

３ 結(jié) 論

    (１)長時服役后１２Cr１MoV 鋼管的組織退化表現(xiàn)為珠光體明顯球化、層狀 Fe３C相明顯碎化、鐵素體中析出 M７C３ 型碳化物以及晶粒明顯長大;長時服役后１２Cr１MoV 鋼對蠕變孔洞并不敏感,僅在晶粒內(nèi)部分布有零星的蠕變孔洞.

    (２)與未服役鋼相比,長時服役后１２Cr１MoV鋼的室溫屈服強(qiáng)度明顯降低,但室溫抗拉強(qiáng)度變化不大,高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度則均明顯降低;長時服役后１２Cr１MoV 鋼的室溫拉伸斷口存在典型的纖維區(qū)和撕裂區(qū),為韌性斷裂,高溫拉伸時受組織損傷的影響發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂.長時服役后１２Cr１MoV鋼的室溫及高溫拉伸性能退化機(jī)理不相同,在后續(xù)的壽命評估中需要區(qū)別對待.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機(jī)械工程材料 > 2019年 > 7期 > pp.24）