12X18 H12T鋼材質變化特征研究

王賀軍

（大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

12X18H12T鋼（相當于國產1Cr18Ni12Ti）屬于18－8類型的奧氏體不銹鋼。此鋼種在電站鍋爐中作為受熱面管使用時的許可使用壁溫為620℃，在此溫度下運行時，它具有良好的組織穩定性，較好的抗氧化耐蝕性和高溫蠕變強度。因而，在火力發電廠的鍋爐設備中，被廣泛地用作高溫對流過熱器和高溫再熱器等受熱面管。然而，18－8類型的鋼種同其它類型的耐熱鋼一樣，長期在高溫下運行后都會發生材質性能的老化，只是它的老化機制及材質變化規律，同普通耐熱鋼有一定的區別。為了解1X18H12T鋼受熱面管在長期超溫運行后的材質變化規律及其老化機制，結合大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司（簡稱“馬頭發電公司”）5號鍋爐高溫再熱器的爆管，進行了一系列金相試驗與研究，并對其老化機制做了一些分析與研究，提出了評定其使用壽命的方法。

馬頭發電公司5號鍋爐是前蘇聯制造的ЕЛ670/140型自然循環固體排渣煤粉爐，主蒸汽壓力為13.7MPa、主蒸汽溫度為545℃，再熱蒸汽壓力為2.42MPa、再熱蒸汽溫度為545℃。高溫再熱器為垂直布置，管子規格為φ42mm×4mm，材質為12X18H12T。再熱器共132排，爆管位置位于前排左起第38根距頂棚0.3m的管卡部位。該批管材自投入運行到發生首次爆管停爐為止，累計運行了126 613h。

2 特征分析

2.1 宏觀檢查

對5號鍋爐高溫再熱器管排進行了全面的宏觀檢查，發現在迎火側第1根管中，共有37根在距頂棚下300mm處的卡圈部位外壁有不同程度的整圈凹溝。凹溝內的腐蝕產物最厚處約5mm左右，最外層有一層結焦物，凹溝寬約8～15mm。凹溝上下兩側管的向火側外壁，呈過渡減薄狀態，見圖1、圖2。

圖1 爆口宏觀形貌

圖2 爆管外壁形貌

爆管位置位于前排左起第38根迎火側第1根管，爆口位于卡圈處的腐蝕凹溝向火側，爆口較小，斷面呈完全脆性斷裂狀態。爆口邊緣管壁厚度僅剩0.5mm左右，爆口裂紋沿凹溝周向擴展，見圖1。

管外壁有一層黑色氧化皮，較光亮，厚度小于0.1mm，內壁氧化皮不明顯，呈黑色，厚度小于0.1 mm，管徑測量無明顯脹粗。

2.2 化學成分分析

在爆破管上取樣進行光譜分析，使用NITON898型半定量光譜分析儀，化學元素質量分數見表1。

表1 管材化學成分

由試驗結果可知，該管材合金元素質量分數基本符合標準要求。

2.3 常溫機械性能試驗

對基建時遺留的原始管材和爆管管材進行了常溫拉伸試驗，試樣斷口脆性部分，呈銀灰色，斷面平整、呈顆粒狀，斷面兩側外壁存在周向裂紋。拉伸試樣的塑性變形量小于1%，平均抗拉強度為477.5 MPa，試驗結果見表2。

表2 管材常溫抗拉強度

2.4 顯微分析

對爆口附近一橫斷面進行觀察，內外壁均發現有沿晶裂紋，裂紋均指向內外表面，見圖3和圖4，說明晶界發生了弱化，內外壁裂紋是溫度和工作疲勞應力作用下，晶界發生了開裂。對該試樣用草酸水溶液電解腐蝕，發現在靠近內側組織正常腐蝕的情況下，靠近外壁邊緣處組織已嚴重腐蝕，難以辨認，靠近內側組織為在奧氏體晶體內部及晶間有大量析出物，呈棒狀，見圖5。用原始管段作為試樣，用草酸水溶液電解腐蝕，各項試驗條件同爆口附近管樣，其組織為正常的奧氏體組織。

圖3 外壁裂紋

圖4 內壁裂紋

圖5 爆口附近組織

用草酸水溶液對爆管試樣進行輕度電解腐蝕，發現靠近外壁處組織呈較為明顯的分層狀態。最外側腐蝕較輕，可明顯看到晶界有析出物產生；該層與其內側組織有一明顯界限，靠內側為一種較嚴重腐蝕組織，在奧氏體晶內與晶間有大量棒狀析出物，再向內側則呈一種過渡性組織，腐蝕程度減輕，越靠近內側，在奧氏體晶內與晶間的棒狀析出物越少。由于晶界析出物的長大速度與溫度直接相關，由外壁向內晶界析出物減小體現了內外壁溫度的變化。由外向內的分層現象與碳擴散有關，外壁溫度高碳擴散劇烈，晶粒內已見不到碳化物的顆粒。內壁由于蒸汽氧化，也會存在一定程度的脫碳現象，由于溫度低碳擴散速度相對較慢，顏色也相對外壁暗些。

對距爆口處下方約300mm處取樣作試驗，所得結果與在爆口管附近取樣結果基本相同，只是靠近外壁處分層組織厚度減薄，靠近內側組織在奧氏體晶體內部及晶間有大量析出物，呈棒狀、針狀，析出物尺寸明顯減小。

為確定奧氏體晶內與晶間析出物屬何種組織，采用染色的方法對其進行鑒別：用堿性赤血鹽溶液對爆口附近取樣進行腐蝕，觀察到析出相呈褐色（σ相呈褐色）。用高錳酸鉀溶液對爆口附近取樣進行腐蝕，觀察到析出相呈彩虹色（σ相呈彩虹色）。

為確定在輕度腐蝕時最外層腐蝕較輕處組織與靠近內側組織有何不同，進行選擇性腐蝕試驗。用高錳酸鉀溶液對經草酸水溶液輕度電解腐蝕后的試樣進行腐蝕，原白色部位呈褐色（ɑ體呈褐色）。這說明外壁奧氏體組織中的碳化物等在高溫下分解擴散，碳擴散形成脫碳，鉻等在晶界聚集形成σ相。原白色部位脫碳、脫鉻的奧氏體被高錳酸鉀氧化所致。

3 試驗結果分析

由以上的試驗結果可知，在奧氏體晶內與晶間的析出物為一種σ相組織。σ相具有復雜的六方點陣，硬度很高（HRC＞68），脆性很大，析出的同時還伴隨著很大的體積變化。因此造成鋼的脆性增強，也會引起鋼的晶間腐蝕，降低抗氧化性能。試樣中的σ相已在晶界處形成網狀結構，割裂了晶間的結合，這種組織極易在運行過程中發生脆性開裂。

由管材爆口、拉伸試樣斷口及內外壁裂紋形態可以看出，該12X18H12T鋼基本已無塑性，呈完全脆性狀態。這與金相組織中奧氏體晶內析出大量σ相產生脆性的分析是一致的。

爆口位置呈凹形，與管卡的磨損有一定的關系，機械磨損破壞了不銹鋼表面的氧化膜，加劇了氧化腐蝕，磨損和腐蝕的共同作用導致了壁厚的減薄。

靠近外壁處組織為分層結構，說明沿壁厚方向的抗腐蝕性能有差別，即組織成分有差別。由高錳酸鉀腐蝕可以看出，亮的位置抗氧化能力較差，可推測是由于碳和鉻的擴散引起的。

鍋爐小徑管的設計壽命一般為104h，該管運行時間已達12×104h，脆性σ相已發生嚴重的網狀聚集，脫碳帶已超過壁厚的1/3，最低強度指標已下降到原始的一半左右，說明該批管材已臨近壽命終點。

4 結論

通過對爆管管材的宏觀分析、金相組織分析、力學性能試驗等可以得出以下結論：12X18H12T鋼在長期超溫運行后，碳和鉻的擴散為主要老化方式，σ相沿原奧氏體晶界網狀析出以及脫碳帶的出現為老化的明顯特征；該批管材已臨近壽命終點，需要及時更換。

［1］ 周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］ 崔中圻.金屬學與熱處理［M］.北京：機械工業出版社，2001.