電站鍋爐12Cr1MoVG高溫聯箱蒸汽腐蝕分析

楊必應 王義廂 朱邦同

電站鍋爐12Cr1MoVG高溫聯箱蒸汽腐蝕分析

楊必應 王義廂 朱邦同

本文收集了不同服役條件下材料為12Cr1MoVG聯箱筒體試樣，對筒體斷面進行了顯微組織觀察、能譜分析和硬度測定，金相組織均為為鐵素體+珠光體。水蒸氣對鋼的腐蝕作用比空氣嚴重，外壁表面比內壁表面的氧化要輕得多。同時研究發現：氧化層與基體之間的脫碳層具有較高的穩定性和優越性，可作為監測聯箱蒸汽氧化腐蝕新的研究對象。

腐蝕是指鋼材表面與周圍介質發生化學或電化學反應而遭到破壞的現象。聯箱的腐蝕過程一般是在鋼材與介質界面上發生的一系列復雜反應，腐蝕造成的破壞通常會從鋼材表面逐漸向內部擴展。聯箱產生腐蝕時，外貌也會發生變化，通常表現為潰瘍斑、小孔、表面附著腐蝕產物或金屬材料減薄等；此外，腐蝕造成的內部變化主要是指金屬的機械性能、組織結構發生變化，如金屬變脆、強度降低、金屬中某種元素的含量發生變化或金屬組織結構發生變化。

水蒸氣腐蝕是電站鍋爐聯箱最常見的化學腐蝕形式。大型電站鍋爐高溫段聯箱內接觸的過熱蒸汽產生化學反應，生成Fe3O4并放出H2，且水蒸氣溫度越高，這種蒸汽腐蝕就越劇烈，

蒸汽溫度的不同，反應產生的氧化皮的組成也有所區別。當溫度在570℃以下時，產生的氧化皮主要由Fe3O4和Fe2O3構成，形成的氧化皮組織較為致密，可以避免基體母材的進一步氧化。但當溫度超過570℃時，產生的氧化皮主要由Fe2O3、Fe3O4和FeO構成，其中Fe2O3在最外側，Fe3O4在中間，FeO在最里側，此時形成的氧化皮組織疏松，致密性差，易受到外界作用，從而使基體母材不斷與高溫水蒸氣發生化學反應，加劇了氧化皮的生成。

試驗材料與方法

聯箱是鍋爐最重要的部件之一，除非發生了特別大的損傷事故，否則一般都不會做更換處理的。12Cr1MoVG鋼為高溫聯箱常用材質，為了更加準確地掌握12Cr1MoVG鋼在實際電站長期服役中的顯微組織變化，從發電企業收集到的不同服役條件下聯箱筒體試樣（如表1），對筒體斷面進行了顯微組織觀察、能譜分析和硬度測定。采用型號為MR5000光學顯微鏡進行顯微組織觀察，掃描電子顯微鏡型號為JSM-64 90LV，并配有EDS裝置，在HBV—30A型布維硬度計下測量其硬度。

試驗結果及分析

顯微組織

圖1、圖2、圖3分別為編號1、2、3號試樣的金相組織。由圖可見，均為鐵素體+珠光體組織。其中，1和2號樣品晶粒大小和組織分布比較均勻。3號樣品內觀察有少量粗大的珠光體組織，可能與其服役溫度較高有關。因服役環境的影響，聯箱筒體的內壁表面和外壁表面均有不同程度的氧化脫碳現象，即具有一定厚度的脫碳層和氧化皮層。

表2給出了試樣的內壁表面與外壁表面的氧化脫碳大概平均厚度情況。可見，2號試樣的內、外壁氧化層厚度大致相當，1、3號試樣的內壁氧化層厚度大于外壁氧化層厚度，而且所有觀察到的試樣的內壁脫碳層大約厚度均大于外壁脫碳層大約厚度，即內壁表面比外壁表面脫碳嚴重。兩種集箱內壁氧化脫碳層比外壁氧化脫碳層厚的事實說明蒸汽H2O對氧化脫碳的促進作用。

表1　不同服役條件下的試樣

圖3　4號試樣在不同區域和放大倍數下的金相組織

表2　試樣的外、內壁表面的氧化脫碳層厚度

能譜分析

1、2和3號試樣從基體至內、外壁氧化皮之間的元素梯度分布情況分別見圖4、圖5和圖6。可見，對于1和2號試樣，從基體/脫碳層界面至脫碳層/氧化皮層的脫碳層區間，Fe的含量有所下降，O的含量則有所升高，說明氧元素的滲入，氧與碳結合導致脫碳。在脫碳層/氧化皮內、外壁之間的界面區域，元素濃度出現驟變，最明顯的變化為Fe元素的驟降與O元素的突增。對于3號試樣可得到與1和2號試樣類似的規律，區別在于4號試樣的氧化皮更厚，基體至內、外壁氧化皮之間的過渡區（脫碳層）更寬。在氧化皮內層與外層，Fe和O元素含量都有一個先降后升的突變區。同時，在基體/脫碳層之間的界面區域也觀察到Fe和O元素的突變。

為了進一步確定鋼管從基體至內、外壁氧化皮之間的元素梯度分布情況，現分別在聯箱內、外壁橫截面做面成分分析。圖7（a）和（b）分別為3號鋼管試樣從內壁（蒸汽側）、外壁（大氣側）氧化皮至基體之間區域能譜微區成分分析結果。可以看出，氧化皮內Fe含量較少，O的含量較高。基體內Fe含量較高，O的含量較低。相對于基體，基體至內、外壁氧化皮之間的過渡區內出現Fe元素的驟降與O元素的突增。

圖4　1號試樣內、外壁橫截面元素濃度線分布（a） 1-內壁，（b） 1-外壁

圖5　2號試樣內、外壁橫截面元素濃度線分布（a） 2-內壁，（b） 2-外壁

表3　試樣硬度測試結果

圖6　4號試樣內、外壁橫截面元素濃度線分布（a） 4-內壁，（b）4-外壁

圖7　3號鋼管試樣內、外壁橫截面能譜微區成分分析結果（a） 內壁（b） 外壁

硬度測定

借助顯微硬度測試手段，將試樣由內表面向外表面進行硬度測試（如表3）。由測試結果可以看出，1、2和3號樣品沿內表面向外表面的硬度均有一定的梯（形）度變化，說明內外表面均有脫碳現象，這和金相組織觀察是一致的。但脫碳層的硬度值降低并不明顯，主要是碳含量較低，組織主體是鐵素體，脫碳效果較小。珠光體占比較少，為15％左右。同時有Cr、Mo和V等合金元素對基體的固溶強化。

結語

在不同服役條件下使用過的12Cr1MoVG金相組織為鐵素體+珠光體。受服役環境的影響，聯箱的內壁表面和外壁表面均有不同程度的腐蝕（氧化脫碳）現象，服役溫度愈高，時間愈長，12Cr1MoVG的氧化皮層和脫碳層就愈厚；水蒸氣對鋼的腐蝕作用比空氣嚴重，外壁表面比內壁表面的氧化要輕得多。鋼表面層由于腐蝕（氧化脫碳）而引發的表面層力學性能（如強度）的下降對聯箱內表面裂紋的產生和聯箱的失效產生重要促進作用。同時研究發現：氧化層與基體之間的脫碳層具有較高的穩定性和優越性，可作為監測聯箱蒸汽氧化腐蝕新的研究對象。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.008