孫賀斌，周治伊，楊佩旭，錢(qián)亞勇，呂巖婷

(1.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

循環(huán)流化床鍋爐采用了高效、節(jié)能、低污染的燃煤新技術(shù)，其燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、NOx排放低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。12Cr1MoV鋼是一種珠光體耐熱鋼，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、鍋爐等動(dòng)力工程中，特別是用于蒸汽渦輪和火力發(fā)電廠的鍋爐。

鋼在高溫、高壓及腐蝕性的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，要求具有較高的持久強(qiáng)度和持久塑性，良好的抗氧化性能，且無(wú)熱脆傾向。了解12Cr1MoV運(yùn)行后的組織和性能變化，積累相關(guān)材料運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)于保障電廠安全生產(chǎn)有重要意義。

以1臺(tái)過(guò)熱蒸汽出口壓力為13.73 MPa、過(guò)熱器出口溫度為540 ℃的循環(huán)流化床鍋爐為例，對(duì)其運(yùn)行70 000 h后的12Cr1MoV材質(zhì)主蒸汽管段進(jìn)行性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選擇12Cr1MoV材質(zhì)的主蒸汽直管段和彎頭，規(guī)格為φ377 mm×36 mm；通過(guò)尺寸測(cè)量、化學(xué)成分、室溫拉伸、550 ℃拉伸、室溫沖擊、硬度、金相、脫碳和形貌分析、X射線衍射等試驗(yàn)，尋找12Cr1MoV運(yùn)行70 000 h后組織和性能的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)分析

2.1 尺寸測(cè)量

采用DM5E型超聲波測(cè)厚儀分別對(duì)取樣管直管段和彎頭進(jìn)行3次厚度測(cè)量，其中彎管測(cè)量值均在38.0 mm左右，直管段測(cè)量值均在35.0 mm左右，減薄量在公稱壁厚36 mm的2 %左右。故管壁厚度未見(jiàn)明顯減薄現(xiàn)象，厚度基本均勻。厚度測(cè)量分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 厚度測(cè)量結(jié)果分析

2.2 化學(xué)成分

采用ARL4460型大型直讀光譜儀對(duì)取樣管直管段及彎頭進(jìn)行材質(zhì)成份分析，橫截面材質(zhì)成份中各元素含量滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)12Cr1MoV材質(zhì)的要求，具體分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 12Cr1MoV鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.3 力學(xué)性能

對(duì)12Cr1MoV取樣管進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 12Cr1MoV室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，所取主蒸汽管樣室溫環(huán)境下各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為進(jìn)一步了解主蒸汽管在運(yùn)行溫度下的力學(xué)性能，按該標(biāo)準(zhǔn)要求將此管樣在550 ℃環(huán)境下進(jìn)行了3組拉伸試驗(yàn)，結(jié)果顯示所取主蒸汽管樣的抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到了353 MPa，361 MPa， 368 MPa，均符合該標(biāo)準(zhǔn)中550 ℃環(huán)境該材質(zhì)不小于187 MPa的要求。

因受檢管樣尺寸限制，僅對(duì)直管段側(cè)母材按照GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行縱向試樣室溫夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)，加工規(guī)格為55 mm×10 mm×5 mm，12Cr1MoV管運(yùn)行后的室溫沖擊吸收能量符合不小于40(KV2)/J(縱向)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用臺(tái)式布氏硬度計(jì)對(duì)取樣管段進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，硬度檢測(cè)部位為取樣管橫截面和外表面。試驗(yàn)選用直徑2.5 mm硬質(zhì)合金鋼球，施加1.839 kN試驗(yàn)力，保載時(shí)間15 s，實(shí)測(cè)硬度采取HBW2.5/187.5，具體硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 布氏硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

依據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》對(duì)于12Cr1MoV鋼管材135～195 HB的硬度要求，受檢管樣硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但外表面硬度值均低于橫截面硬度值，直管段表面硬度降低相對(duì)明顯，趨于標(biāo)準(zhǔn)下限。

2.4 組織性能

截取主蒸汽管樣橫截面鑲嵌金相試樣，采取4 %硝酸酒精溶液侵蝕，在MA200臺(tái)式顯微鏡下分別采用不同倍數(shù)進(jìn)行微觀組織分析。

從直管管樣的橫截面和外表面觀察，基體組織呈貝氏體+碳化物形態(tài)，貝氏體由晶界向晶內(nèi)平行生長(zhǎng)的扁平狀的α-Fe鐵素體，并在其間夾著斷續(xù)的點(diǎn)狀和短棒狀碳化物組成的復(fù)相組織，表面碳化物呈分散分布的較大顆粒，貝氏體位向不明顯，金相組織不良，不排除軋制工藝、熱處理工藝中參數(shù)控制不當(dāng)對(duì)取樣位置管材表面金相組織的影響。

從彎頭內(nèi)、外壁橫截面觀察，基體組織呈鐵素體+珠光體形態(tài)，珠光體區(qū)域已開(kāi)始分散，仍保留原有的區(qū)域形態(tài)，部分碳化物呈條狀、點(diǎn)狀，試樣內(nèi)壁組織與外壁組織基本一致，依據(jù)DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》中珠光體組織球化進(jìn)行評(píng)定，為球化2級(jí)。

2.5 脫碳層測(cè)量

從脫碳形貌觀察，主蒸汽外表面存在0.12～0.14 mm脫碳層。在靠近表面約0.36 mm范圍內(nèi)的組織形貌與內(nèi)部基體組織存在明顯差異，近表面層碳化物呈大顆粒狀集中分布，且碳化物顆粒尺寸由外表面向內(nèi)部逐漸呈減小趨勢(shì)，表層下約0.4 mm以外范圍內(nèi)組織基本均勻，由此可見(jiàn)主蒸汽管道外表層金相組織不良。

2.6 X射線衍射分析

對(duì)主蒸汽管直管取樣進(jìn)行X射線衍射分析，以2θ的角度掃描整個(gè)衍射區(qū)域，作為角度變化，作為X射線衍射譜的橫坐標(biāo)；以衍射強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)。根據(jù)衍射圖譜分析，其結(jié)構(gòu)以Fe2O3相為主，少量SiO2相。

3 結(jié)論

(1) 12Cr1MoV運(yùn)行70 000 h后硬度試驗(yàn)、室溫拉伸試驗(yàn)、高溫拉伸試驗(yàn)、室溫沖擊試驗(yàn)及材質(zhì)成份分析結(jié)果均滿足要求。

(2) 12Cr1MoV運(yùn)行70 000 h后直管段金相組織為貝氏體+碳化物，外表面碳化物呈分散分布的較大顆粒，貝氏體位向不明顯，金相組織不良，不排除軋制工藝、熱處理工藝中參數(shù)控制不當(dāng)對(duì)取樣位置管材表面金相組織的影響。

(3) 12Cr1MoV運(yùn)行70 000 h后直管段、彎頭側(cè)外表面硬度值均低于橫截面硬度值，直管段表面硬度降低相對(duì)明顯，趨于標(biāo)準(zhǔn)下限；外表面的碳化物分布層和脫碳層是導(dǎo)致外表面硬度低于芯部硬度的主要因素之一。

(4) 截至本次割管，主蒸汽管樣已累計(jì)運(yùn)行約7.85萬(wàn)h，室溫及高溫(550 ℃)力學(xué)性能結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在正常運(yùn)行工況下可繼續(xù)服役。