12X18 H12T鋼材質(zhì)變化特征研究

王賀軍

（大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

12X18H12T鋼（相當(dāng)于國產(chǎn)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(wěn)定性，較好的抗氧化耐蝕性和高溫蠕變強度。因而，在火力發(fā)電廠的鍋爐設(shè)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(fā)生材質(zhì)性能的老化，只是它的老化機制及材質(zhì)變化規(guī)律，同普通耐熱鋼有一定的區(qū)別。為了解1X18H12T鋼受熱面管在長期超溫運行后的材質(zhì)變化規(guī)律及其老化機制，結(jié)合大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司（簡稱“馬頭發(fā)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(fā)電公司5號鍋爐是前蘇聯(lián)制造的ЕЛ670/140型自然循環(huán)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(guī)格為φ42mm×4mm，材質(zhì)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(fā)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(fā)現(xiàn)在迎火側(cè)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(nèi)的腐蝕產(chǎn)物最厚處約5mm左右，最外層有一層結(jié)焦物，凹溝寬約8～15mm。凹溝上下兩側(cè)管的向火側(cè)外壁，呈過渡減薄狀態(tài)，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(cè)第1根管，爆口位于卡圈處的腐蝕凹溝向火側(cè)，爆口較小，斷面呈完全脆性斷裂狀態(tài)。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(nèi)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(xué)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(xué)元素質(zhì)量分數(shù)見表1。

表1 管材化學(xué)成分

由試驗結(jié)果可知，該管材合金元素質(zhì)量分數(shù)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(cè)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(jié)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(nèi)外壁均發(fā)現(xiàn)有沿晶裂紋，裂紋均指向內(nèi)外表面，見圖3和圖4，說明晶界發(fā)生了弱化，內(nèi)外壁裂紋是溫度和工作疲勞應(yīng)力作用下，晶界發(fā)生了開裂。對該試樣用草酸水溶液電解腐蝕，發(fā)現(xiàn)在靠近內(nèi)側(cè)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(nèi)側(cè)組織為在奧氏體晶體內(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)靠近外壁處組織呈較為明顯的分層狀態(tài)。最外側(cè)腐蝕較輕，可明顯看到晶界有析出物產(chǎn)生；該層與其內(nèi)側(cè)組織有一明顯界限，靠內(nèi)側(cè)為一種較嚴重腐蝕組織，在奧氏體晶內(nèi)與晶間有大量棒狀析出物，再向內(nèi)側(cè)則呈一種過渡性組織，腐蝕程度減輕，越靠近內(nèi)側(cè)，在奧氏體晶內(nèi)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(guān)，由外壁向內(nèi)晶界析出物減小體現(xiàn)了內(nèi)外壁溫度的變化。由外向內(nèi)的分層現(xiàn)象與碳擴散有關(guān)，外壁溫度高碳擴散劇烈，晶粒內(nèi)已見不到碳化物的顆粒。內(nèi)壁由于蒸汽氧化，也會存在一定程度的脫碳現(xiàn)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(jié)果與在爆口管附近取樣結(jié)果基本相同，只是靠近外壁處分層組織厚度減薄，靠近內(nèi)側(cè)組織在奧氏體晶體內(nèi)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(nèi)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(nèi)側(cè)組織有何不同，進行選擇性腐蝕試驗。用高錳酸鉀溶液對經(jīng)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(jié)果分析

由以上的試驗結(jié)果可知，在奧氏體晶內(nèi)與晶間的析出物為一種σ相組織。σ相具有復(fù)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，割裂了晶間的結(jié)合，這種組織極易在運行過程中發(fā)生脆性開裂。

由管材爆口、拉伸試樣斷口及內(nèi)外壁裂紋形態(tài)可以看出，該12X18H12T鋼基本已無塑性，呈完全脆性狀態(tài)。這與金相組織中奧氏體晶內(nèi)析出大量σ相產(chǎn)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(guān)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(dǎo)致了壁厚的減薄。

靠近外壁處組織為分層結(jié)構(gòu)，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(shè)計壽命一般為104h，該管運行時間已達12×104h，脆性σ相已發(fā)生嚴重的網(wǎng)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(jié)論

通過對爆管管材的宏觀分析、金相組織分析、力學(xué)性能試驗等可以得出以下結(jié)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(wǎng)狀析出以及脫碳帶的出現(xiàn)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(yè)出版社，2005.

［2］ 崔中圻.金屬學(xué)與熱處理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2001.