劉 軍

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東揭陽(yáng)515223）

0 引言

某電廠600MW機(jī)組采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1900/25.4-Ⅱ2型超臨界參數(shù)變壓直流爐，為一次再熱、單爐膛、雙尾部煙道、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。最大連續(xù)蒸發(fā)量為1900t/h，額定蒸汽壓力為25.4MPa，主蒸汽溫度571℃，再熱蒸汽溫度569℃。

近幾年，同類型鍋爐主蒸汽管道、再熱蒸汽管道堵閥閥體普遍存在表面微裂紋缺陷。隨運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)，微裂紋不斷擴(kuò)展，呈現(xiàn)密集性趨勢(shì)，具有嚴(yán)重危害性。堵閥作為管道的承壓部件，且懸空布置于鍋爐兩側(cè)，運(yùn)行過(guò)程中如表面微裂紋缺陷得不到及時(shí)消除，不斷擴(kuò)展直至發(fā)生閥體泄漏或開裂事故，將給人身和機(jī)組安全帶來(lái)災(zāi)難性后果。

值得注意的是，一般堵閥閥體表面微裂紋缺陷位置具有不確定性，且鍋爐運(yùn)行周期較長(zhǎng)，運(yùn)行中對(duì)閥體表面裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)或監(jiān)控的難度較大。因此，如何運(yùn)用有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)加強(qiáng)C12A鋼堵閥材料壽命過(guò)程監(jiān)督，盡早發(fā)現(xiàn)缺陷并及時(shí)消除，保證主蒸汽管道和再熱蒸汽管道堵閥安全運(yùn)行成為一個(gè)重要課題。

1 C12A鋼堵閥材料特性

C12A鋼是在9Cr1MoV的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種合金元素含量大于10%的馬氏體耐熱鑄鋼。該鋼種具有良好的抗高溫氧化性能和抗高溫蠕變強(qiáng)度以及良好的塑性和加工性能。該鋼種鋼液的流動(dòng)性較差，容易產(chǎn)生冷隔，在高溫下易氧化，鑄件表面易產(chǎn)生氧化膜褶皺，氧化膜卷入內(nèi)部易形成氧化夾雜物，冶煉難度大；同時(shí)該鋼種在鑄造過(guò)程中熱裂傾向和粘砂傾向大、導(dǎo)熱性差、體收縮量大、收縮應(yīng)力大，易產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)的難度加大；最后，該鋼種馬氏體轉(zhuǎn)變終了溫度Mf較低，容易產(chǎn)生冷裂，熱處理的難度很大。由于該材料在冶煉和鑄造技術(shù)上有一定的難度，因此，鑄造時(shí)極易產(chǎn)生鋼件內(nèi)部力學(xué)性能不均勻及裂紋現(xiàn)象。

C12A鋼堵閥材料鑄造生產(chǎn)時(shí)主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）C12A鋼的化學(xué)成分如表1所示，從表1中可以看出，化學(xué)成分C的含量范圍窄，只有0.08%～0.12%，S元素含量要求≤0.01%，Cr元素含量較高，同時(shí)Nb、N、Al、V等元素含量范圍較窄。正因?yàn)镃12A鋼控制元素多，合金加入量大，熔煉時(shí)間長(zhǎng)，所以鋼水易氧化，熔煉難度大。

（2）C12A鋼材料鑄造工藝性差，冶煉難度大，澆注溫度可控范圍僅30℃，稍有不慎，產(chǎn)品成型后裂紋缺陷嚴(yán)重。該材料鋼水流動(dòng)性差，且Cr極易氧化形成夾渣物，影響鑄件內(nèi)在質(zhì)量。

表1SA217-C12A鋼的化學(xué)成分 單位：wt%

（3）堵閥閥體的壁厚一般都比較大，結(jié)構(gòu)工藝性差，平鑄、平澆工藝在閥體的補(bǔ)縮上存在很大的困難，產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量難以保證。

（4）C12A鋼材料的金相組織為板條狀馬氏體，材料在轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過(guò)程中體積迅速膨脹，因此在鑄造過(guò)程中必須嚴(yán)格控制才能保證不產(chǎn)生裂紋等缺陷。

2 C12A鋼堵閥無(wú)損檢測(cè)

2.1 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是通過(guò)磁粉在缺陷附近漏磁場(chǎng)中的堆積來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。由于對(duì)表面和近表面缺陷檢測(cè)具有靈敏度高、操作方便、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，磁粉檢測(cè)經(jīng)常作為C12A鋼堵閥的無(wú)損檢測(cè)首選。

在鑄造過(guò)程中，堵閥閥體容易因?yàn)殇撍撃Ｕ成昂徒饘賷A雜物等缺陷而產(chǎn)生微小裂紋，這些微小裂紋源在高溫、高壓運(yùn)行工況中將不斷擴(kuò)展直至導(dǎo)致閥體開裂失效。因此，如何運(yùn)用磁粉檢測(cè)技術(shù)在裂紋萌生初期發(fā)現(xiàn)微小裂紋缺陷并及時(shí)處理是材料監(jiān)督的關(guān)鍵。

對(duì)某電廠600MW超臨界機(jī)組C12A鋼主蒸汽堵閥進(jìn)行金屬監(jiān)督，分別對(duì)運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)和7萬(wàn)小時(shí)的堵閥閥體進(jìn)行磁粉檢測(cè)，缺陷宏觀外貌分別如圖1、圖2所示，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖1 運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)堵閥磁粉檢測(cè)缺陷宏觀外貌

從磁粉檢測(cè)結(jié)果可以看出：磁粉檢測(cè)手段對(duì)于發(fā)現(xiàn)C12A鋼堵閥表層及近表層微小裂紋效果顯著，為后期材料監(jiān)督及壽命評(píng)估提供了有效依據(jù)。

圖2 運(yùn)行7萬(wàn)小時(shí)堵閥磁粉檢測(cè)缺陷宏觀外貌

表2 運(yùn)行不同時(shí)間堵閥閥體磁粉檢測(cè)結(jié)果

2.2 超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是利用材料及缺陷的聲學(xué)性能差異，基于超聲波傳播波形反射情況和穿透時(shí)間的能量變化來(lái)檢驗(yàn)材料內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法。超聲波檢測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，穿透能力強(qiáng)，探測(cè)深度可達(dá)數(shù)米，同時(shí)可確定內(nèi)部缺陷的位向、大小及形狀等準(zhǔn)確信息，為缺陷原因分析及后續(xù)處理提供技術(shù)依據(jù)。

在運(yùn)行機(jī)組的鑄鋼件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，受結(jié)構(gòu)形式和現(xiàn)場(chǎng)條件制約，難以有效開展檢測(cè)工作。由于磁粉檢測(cè)只能檢測(cè)表面和近表面缺陷，對(duì)埋藏較深的缺陷檢測(cè)效果差，因此，需要通過(guò)超聲波來(lái)檢測(cè)內(nèi)部埋藏缺陷。

分別對(duì)運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)和7萬(wàn)小時(shí)的高再堵閥閥體進(jìn)行超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)閥體存在多條裂紋，本文取長(zhǎng)度最大的裂紋缺陷作為討論對(duì)象。堵閥閥體缺陷打磨后照片分別如圖3、圖4所示，運(yùn)行不同時(shí)間堵閥閥體超聲波檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

圖3 運(yùn)行1萬(wàn)小時(shí)堵閥缺陷打磨后照片

圖4 運(yùn)行7萬(wàn)小時(shí)堵閥缺陷打磨后照片

表3 運(yùn)行不同時(shí)間堵閥閥體超聲波檢測(cè)結(jié)果

從圖3、圖4可以看出，裂紋都位于堵閥頸部區(qū)域，此部位厚度變化較大，截面尺寸突變，在鑄造內(nèi)應(yīng)力作用下，極易產(chǎn)生疏松、裂紋等缺陷。鍋爐運(yùn)行中堵閥承受較高的工作壓力，隨著鍋爐的運(yùn)行，堵閥閥體內(nèi)部小的缺陷進(jìn)一步擴(kuò)展形成裂紋，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，裂紋長(zhǎng)度和深度逐漸增加。另外，隨著鍋爐頻繁啟停和運(yùn)行中承受壓力的變化，在工件截面突變部位也會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中，進(jìn)一步引起工件表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。同時(shí)，自然時(shí)效時(shí)間不足，導(dǎo)致閥體內(nèi)部的應(yīng)力無(wú)法釋放，最終也將導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)。因此，對(duì)堵閥閥體進(jìn)行整體超聲波檢測(cè)是十分必要的。

2.3 硬度檢測(cè)

硬度是衡量金屬材料強(qiáng)度、彈性、塑性和韌性等力學(xué)性能的一項(xiàng)重要綜合指標(biāo)，硬度值的大小能反映出材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和處理工藝上的差異，因此，硬度檢測(cè)常被作為材料監(jiān)督的重要手段使用。

用便攜式里氏硬度計(jì)對(duì)運(yùn)行7萬(wàn)小時(shí)的主蒸汽堵閥和高再堵閥分別進(jìn)行表面硬度檢測(cè)，測(cè)點(diǎn)位置示意圖如圖5所示，檢測(cè)結(jié)果分別如表4、表5所示。

圖5 堵閥硬度測(cè)點(diǎn)位置示意圖

表4 主蒸汽堵閥閥體硬度測(cè)試結(jié)果

表5 高再堵閥閥體硬度測(cè)試結(jié)果

從表4、表5來(lái)看，硬度值均達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)DL/T438—2016規(guī)定的HB185～HB250硬度范圍要求。為確定堵閥閥體表面裂紋及硬度偏低現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，進(jìn)一步對(duì)該堵閥進(jìn)行金相取樣分析。

2.4 金相分析

金相分析是通過(guò)金相顯微鏡來(lái)研究金屬和合金顯微組織大小、形態(tài)、分布、數(shù)量和性質(zhì)的一種方法，它是金屬材料研究的重要手段之一。

對(duì)2.3中運(yùn)行7萬(wàn)小時(shí)的高再堵閥硬度偏低局部區(qū)域進(jìn)行金相取樣，經(jīng)酸腐蝕后，試樣宏觀形貌如圖6所示。可以看出，試樣橫截面存在多條裂紋，裂紋深淺不一，最深約50mm。

在光學(xué)顯微鏡下觀察裂紋區(qū)域的微觀形貌特征，裂紋擴(kuò)展末端區(qū)域和附近母材的微觀形貌如圖7、圖8所示。

從圖中可以看出，裂紋沿晶擴(kuò)展，末端圓鈍，兩側(cè)脫碳比較明顯，裂口內(nèi)存在較多氧化物。母材及裂紋兩側(cè)金相組織均為鐵素體加碳化物，為C12A材料的老化組織。

根據(jù)堵閥存在硬度偏低并形成老化組織這一現(xiàn)象看，是制造工序中回火熱處理工藝控制不當(dāng)，形成了硬度偏低區(qū)域。堵閥正?；鼗馃崽幚頊囟瓤刂圃?70℃左右，如果回火時(shí)爐溫失控，表面的回火溫度可能接近AC1相變點(diǎn)，將產(chǎn)生過(guò)回火現(xiàn)象，導(dǎo)致馬氏體板條的高溫回火，使板條粗化，板條內(nèi)的多邊化亞晶呈現(xiàn)明顯長(zhǎng)大趨勢(shì)，位錯(cuò)數(shù)量減少和碳化物粗大以及向板條界和原奧氏體晶界聚集等現(xiàn)象出現(xiàn)，并最終形成鐵素體加碳化物組織。

圖6 金相試樣宏觀形貌

圖7 裂紋擴(kuò)展末端區(qū)域微觀形貌

圖8 裂紋附近母材微觀組織形貌

3 結(jié)語(yǔ)

600MW超臨界機(jī)組鍋爐主蒸汽管道和再熱蒸汽管道C12A鋼堵閥材料由于其鑄造工藝性較差，極易在閥體表面產(chǎn)生縮松、縮孔和微裂紋等缺陷。表面缺陷位置的不確定性，給運(yùn)行過(guò)程中C12A鋼堵閥材料壽命過(guò)程監(jiān)督及安全運(yùn)行帶來(lái)了很大困擾。本文進(jìn)行了一系列無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，得出了C12A鋼堵閥材料監(jiān)督的有效檢測(cè)方法為：通過(guò)磁粉檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)表層及近表層微小裂紋，通過(guò)超聲波檢測(cè)手段探測(cè)內(nèi)部埋藏較深的缺陷，通過(guò)硬度檢測(cè)和金相分析反映材料力學(xué)性能變化和組織老化規(guī)律。綜合利用以上檢測(cè)手段，不僅可以獲得不同狀態(tài)下組織與性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有利于長(zhǎng)期運(yùn)行中的金屬監(jiān)督檢驗(yàn)，逐步掌握材料老化規(guī)律，確保超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，也可為發(fā)電機(jī)組同類型金屬材料問(wèn)題處理提供借鑒。

［參考文獻(xiàn)］

[1]楊富，趙建倉(cāng)，李為民，等.超（超）臨界鍋爐用新型鐵素體耐熱鋼的焊接[C]//超超臨界火電機(jī)組技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第一屆年會(huì)論文集，2005：285-300.

[2]火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程：DL/T438—2016[S].