摘 要:采用金相檢驗、硬度測試、力學性能測試和矯頑力測量等方法研究了12Cr1MoVG 鋼的 材料球化與矯頑力、服役時間之間的關系。結果表明:通 過 測 量 矯 頑 力 可 以 無 損、快 捷 地 預 測 12Cr1MoVG 鋼管在服役條件下的球化組織特征及服役時間。該測量結果可為相關單位開展割管 處理和壽命評估,預防材料球化失效工作提供借鑒。
關鍵詞:矯頑力;12Cr1MoVG 鋼;球化級別;壽命評估
中圖分類號:TG142 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)06-0034-04
12Cr1MoVG 鋼具有較高的持久強度和持久塑 性、良好的抗氧化性、無熱脆傾向、生產(chǎn)工藝簡單、較 好的焊接性能等特點,主要應用于電站鍋爐等高溫 零部件中,如蒸汽溫度不超過540 ℃的鍋爐集箱和 蒸汽管道,金屬外壁溫度不超過580℃的過熱器、再 熱器 及 部 分 鑄 鍛 件[1-3]。 根 據(jù) GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》,12Cr1MoVG 鋼的正常供 貨狀態(tài)一般為正火+回火或淬火+回火,其正常組 織為鐵素體+珠光體,鐵素體+貝氏體,或鐵素體+ 珠光體+貝氏體,在溫度為500~580 ℃的長期運 行過程中,組織中的珠光體/貝氏體將發(fā)生球化現(xiàn) 象,即珠光體/貝氏體中的滲碳體(碳化物)的形態(tài)逐 漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱钐蓟?。隨著合金元素在固溶體和碳 化 物 間 的 再 分 配 及 碳 化 物 相 結 構 的 改 變, 12Cr1MoVG 鋼的熱強性和力學性能隨著珠光體球 化程度和固溶體中合金元素貧化程度的增加而逐漸 降低,以致材料逐漸劣化甚至失效[4]。
根據(jù) DL/T438—2016 《火力發(fā)電廠金屬技術 監(jiān)督規(guī)程》,12Cr1MoVG 鋼 的 珠 光 體 球 化 級 別 達 到5級時,應 對 過 熱 器 和 再 熱 器 管 進 行 材 料 評 定 和壽命評估,然 而 現(xiàn) 階 段 并 沒 有 完 善 的 方 法 能 夠 無損評估管 道 球 化 狀 態(tài) 及 預 測 剩 余 壽 命,通 常 采 用割管檢驗 的 方 法 進 行 氧 化 皮 厚 度 測 量,從 而 推 導出當量 溫 度 與 進 行 壽 命 評 估[5],割 管 檢 驗 的 長 周期嚴重影響了電廠的發(fā)電效率?；诖艤袨? 的矯頑力測 量 對 材 料 顯 微 組 織 演 變、材 料 損 傷 與 應力等具有 高 度 敏 感 性,矯 頑 力 是 材 料 磁 滯 特 征 參數(shù)之一。針對12Cr1MoVG 無縫鋼管,筆者采用 矯頑力對鋼 管 進 行 分 析,結 合 金 相 檢 驗 和 力 學 性 能測試等方法,研究了材料球化與矯頑力、服役時間 之 間 的 關 系,得 到 通 過 矯 頑 力 測 量 預 測 12Cr1MoVG 鋼管在 服 役 條 件 下 的 球 化 組 織 特 征 及服役時間。
1 試驗方法與結果
1.1 試驗對象與試驗設備
試驗對象為某電廠12Cr1MoVG 鋼割管分析試 樣,經(jīng)過化學成分分析,得到試樣材料中鉻元素的質(zhì) 量分數(shù) 為 0.9% ~1.2%,鉬 元 素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.25%~0.35%,釩 元 素 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 為 0.15% ~ 0.30%,管子規(guī)格為51mm×10mm(外徑×壁厚), 12Cr1MoVG 鋼管試樣宏觀形貌如圖1所示。試驗 設 備 為 Axiovert 200MAT 型 光 學 顯 微 鏡、 Durascan-70型 維 氏 硬 度 計、MC-WF-04 型 磁 滯 無 損評估設備。
1.2 金相檢驗
將試樣橫截面打磨拋光后,用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液侵蝕,再用光學顯微鏡觀察其顯微 組織,材料球化評級參考標準 DL/T773—2016《火 電廠用12Cr1MoVG 鋼球化評級標 準》,隨 著 珠 光 體/貝氏體區(qū)域的分散,邊界線逐漸模糊,碳化物聚 集長大并在晶界處呈鏈狀、長條狀分布,鋼管由未球 化(1級)向嚴重球化(5級)轉(zhuǎn)變。對不同位置進行 觀察,獲得了未球化(1級)、輕度球化(2級)、中度球 化(3級)、完全球化(4級)、嚴重球化(5級)的顯微 組織形貌(見圖2),其組織構成均為鐵素體+貝氏 體+少量珠光體。
1.3 硬度和力學性能試驗
依據(jù) GB/T4340.1—2009《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,對顯微組織球化級別分布在 1~5級的鋼管位置進行硬度測試,隨著鋼管球化級 別逐漸增加,材料維氏硬度逐漸遞減;當球化級別達 到5級 時,維 氏 硬 度 接 近 標 準 要 求 下 限 值 (DL/T 438-2016給出為135HB,GB/T5310—2017給出 為135 HV);依據(jù) GB/T228.1—2010 《金屬 材 料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,采用 DNS300 型萬能試驗機進行拉伸試驗,試驗結果如表1所示, 隨著鋼管球化級別逐漸增加,抗拉強度逐漸降低,當 球化級 別 達 到 5 級 時,抗 拉 強 度 已 不 滿 足 GB/T 5310—2017要求的下限值(470 MPa),力學性能呈 現(xiàn)出明顯劣化。
1.4 矯頑力測量
采用磁滯評估設備對鋼管材料顯微組織球化級 別為1~5級的位置進行矯頑力測量,測量結果如 表1所示。對于材料球化級別為1~5級的位置,隨 著鋼管球化級別逐漸增加,材料矯頑力逐漸遞增。
2 試驗結果分析
2.1 球化級別與維氏硬度
將維 氏 硬 度 取 平 均 值,并 進 行 統(tǒng) 計 分 析, 12Cr1MoVG鋼球化級別與矯頑力、維氏硬度之間的關系曲線如圖3所示(Rm 為抗拉強度),由圖3可 知,隨著試樣組織球化程度的加劇,硬度逐漸遞減,在 球化中期硬度下降較快,在球化中后期,硬度下降相 對平緩。由于長期在高溫條件下運行,碳化物沉淀相 會逐漸析出、聚集和粗化,因此固溶體中的合金元素 脫溶和貧化現(xiàn)象越嚴重,基體固溶度越弱,材料硬度 越低[6-7] ;當鋼管球化程度接近5級時,硬度接近 DL/ T438—2016附錄C中要求的下限值,測量的抗拉強 度則低于 GB/T5310—2017標準要求的下限值。
2.2 球化級別與矯頑力
對試驗獲得的矯頑力數(shù)據(jù)取平均值,并進行統(tǒng) 計分析,隨著試樣組織球化程度越來越嚴重,矯頑力 逐漸遞增(見圖3)。當磁疇壁移動受到阻力或疇壁 內(nèi)磁矩改變方向受到阻力時,矯頑力會直接受到影 響[8],在12Cr1MoVG 鋼的球化過程中,隨著晶內(nèi)區(qū) 域破碎化和碳化物的聚集長大,以及向晶界偏聚呈 球狀、鏈狀分布,晶內(nèi)碳化物由細小的均勻分布向粗 大不均勻分布轉(zhuǎn)變,對疇壁造成的釘扎作用開始顯 現(xiàn),并且晶界鏈狀分布碳化物所形成的大量面缺陷 在晶界附近形成較大作用范圍的釘扎中心,使得材 料矯頑力逐漸增加[9]。
參考 DL/T438—2016規(guī)定,在電廠過熱器和 再熱器管的檢驗監(jiān)督中,當12Cr1MoVG 鋼管組織 的球化程度為5級,或其拉伸試驗性能不符合標準 要求時,應割管進行材料評定和壽命評估工作,由 圖3可知,當材料球化級別接近5級時,硬度逐漸下降至標準要求的下限值,而抗拉強度為451MPa,已 不符合標準要求。對表1中矯頑力與球化級別進行 線性擬合,球化級別S 與矯頑力測量值 Hc 之間的 函數(shù)關系如式(1)所示。
2.3 球化級別與服役時間
12Cr1MoVG 鋼在球化過程中,其珠光體(貝氏 體)的轉(zhuǎn)變速率并不是恒定值,發(fā)生球化時間越長, 轉(zhuǎn)變速率越慢,球化過程中,α-Fe的溶質(zhì)原子減少 導致球化速率減緩[10],12Cr1MoVG 鋼在720 ℃下 進行高溫球化加速模擬試驗時,組織演變球化級別 與高溫球化時間呈指數(shù)變化關系[11]。根據(jù)該結果, 可獲得材料由1級球化至不同球化級別所需時間與 至嚴重球化所需時間的百分比,并進一步得到材料 在不同球化級別下至嚴重球化的剩余時間百分比, 鋼管加速球化模擬試驗時球化級別與時間的對應關 系如表2所示。
2.4 矯頑力與剩余時間
結合表1中各球化級別下的矯頑力與表2中鋼 管在不同球化級別至5級球化程度的剩余時間百分 比,繪制 Hc 與剩余時間 Tr 之間的關系曲線(見圖 4)。通過 Origin數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行擬合,獲 得的函數(shù)關系如式(2)所示。
結合鋼管的累積服役時間ta,得到比例關系如 式(3)所示,結合現(xiàn)場 Hc,推導出鋼管在特定蒸汽 參數(shù)環(huán)境下球化至5級的剩余時間 Tr 如式(4)所 示。當測得矯頑力接近或大于9A/m 時,材料球化程度嚴重,此時已不滿足式(4)的適用范圍。
3 結語
不同球化級別的12Cr1MoVG 鋼矯頑力和維氏 硬度關系研究表明:材料球化過程中,硬度逐漸遞 減,矯頑力逐漸增加,線性擬合出球化級別S 與矯 頑力 Hc 間的函數(shù)關系式;而材料球化程度與服役 時間呈指數(shù)對應關系,通過擬合矯頑力與材料球化 至特定級別的剩余時間百分比之間的關系,推導出 材料至嚴重球化的剩余時間函數(shù)關系式。
基于 矯 頑 力 的 無 損 評 估 方 法,可 快 速 判 斷 12Cr1MoVG 鋼管的球化組織特征及在當前特定蒸 汽參數(shù)下的持久壽命衰減情況,預測材料至嚴重球 化的剩余時間,指導電廠適時開展割管試驗及壽命 評估,防止材料球化失效導致的事故發(fā)生。
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