鑄造C12A堵閥材料監督及無損檢測方法淺析

劉 軍

（廣東粵電靖海發電有限公司，廣東揭陽515223）

0 引言

某電廠600MW機組采用東方鍋爐廠生產的DG1900/25.4-Ⅱ2型超臨界參數變壓直流爐，為一次再熱、單爐膛、雙尾部煙道、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。最大連續蒸發量為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。隨運行時間變長，微裂紋不斷擴展，呈現密集性趨勢，具有嚴重危害性。堵閥作為管道的承壓部件，且懸空布置于鍋爐兩側，運行過程中如表面微裂紋缺陷得不到及時消除，不斷擴展直至發生閥體泄漏或開裂事故，將給人身和機組安全帶來災難性后果。

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，且鍋爐運行周期較長，運行中對閥體表面裂紋進行檢驗或監控的難度較大。因此，如何運用有效的無損檢測技術加強C12A鋼堵閥材料壽命過程監督，盡早發現缺陷并及時消除，保證主蒸汽管道和再熱蒸汽管道堵閥安全運行成為一個重要課題。

1 C12A鋼堵閥材料特性

C12A鋼是在9Cr1MoV的基礎上發展起來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度以及良好的塑性和加工性能。該鋼種鋼液的流動性較差，容易產生冷隔，在高溫下易氧化，鑄件表面易產生氧化膜褶皺，氧化膜卷入內部易形成氧化夾雜物，冶煉難度大；同時該鋼種在鑄造過程中熱裂傾向和粘砂傾向大、導熱性差、體收縮量大、收縮應力大，易產生縮松、縮孔缺陷，導致工藝設計的難度加大；最后，該鋼種馬氏體轉變終了溫度Mf較低，容易產生冷裂，熱處理的難度很大。由于該材料在冶煉和鑄造技術上有一定的難度，因此，鑄造時極易產生鋼件內部力學性能不均勻及裂紋現象。

C12A鋼堵閥材料鑄造生產時主要技術難點體現在以下幾個方面：

（1）C12A鋼的化學成分如表1所示，從表1中可以看出，化學成分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Nb、N、Al、V等元素含量范圍較窄。正因為C12A鋼控制元素多，合金加入量大，熔煉時間長，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，產品成型后裂紋缺陷嚴重。該材料鋼水流動性差，且Cr極易氧化形成夾渣物，影響鑄件內在質量。

表1SA217-C12A鋼的化學成分 單位：wt%

（3）堵閥閥體的壁厚一般都比較大，結構工藝性差，平鑄、平澆工藝在閥體的補縮上存在很大的困難，產品的內在質量難以保證。

（4）C12A鋼材料的金相組織為板條狀馬氏體，材料在轉變為馬氏體的過程中體積迅速膨脹，因此在鑄造過程中必須嚴格控制才能保證不產生裂紋等缺陷。

2 C12A鋼堵閥無損檢測

2.1 磁粉檢測

磁粉檢測是通過磁粉在缺陷附近漏磁場中的堆積來檢測鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無損檢測方法。由于對表面和近表面缺陷檢測具有靈敏度高、操作方便、檢測速度快等特點，磁粉檢測經常作為C12A鋼堵閥的無損檢測首選。

在鑄造過程中，堵閥閥體容易因為鋼水脫模粘砂和金屬夾雜物等缺陷而產生微小裂紋，這些微小裂紋源在高溫、高壓運行工況中將不斷擴展直至導致閥體開裂失效。因此，如何運用磁粉檢測技術在裂紋萌生初期發現微小裂紋缺陷并及時處理是材料監督的關鍵。

對某電廠600MW超臨界機組C12A鋼主蒸汽堵閥進行金屬監督，分別對運行1萬小時和7萬小時的堵閥閥體進行磁粉檢測，缺陷宏觀外貌分別如圖1、圖2所示，檢測結果如表2所示。

圖1 運行1萬小時堵閥磁粉檢測缺陷宏觀外貌

從磁粉檢測結果可以看出：磁粉檢測手段對于發現C12A鋼堵閥表層及近表層微小裂紋效果顯著，為后期材料監督及壽命評估提供了有效依據。

圖2 運行7萬小時堵閥磁粉檢測缺陷宏觀外貌

表2 運行不同時間堵閥閥體磁粉檢測結果

2.2 超聲波檢測

超聲波檢測是利用材料及缺陷的聲學性能差異，基于超聲波傳播波形反射情況和穿透時間的能量變化來檢驗材料內部缺陷的無損檢測方法。超聲波檢測的主要優點是靈敏度高，穿透能力強，探測深度可達數米，同時可確定內部缺陷的位向、大小及形狀等準確信息，為缺陷原因分析及后續處理提供技術依據。

在運行機組的鑄鋼件現場檢測中，受結構形式和現場條件制約，難以有效開展檢測工作。由于磁粉檢測只能檢測表面和近表面缺陷，對埋藏較深的缺陷檢測效果差，因此，需要通過超聲波來檢測內部埋藏缺陷。

分別對運行1萬小時和7萬小時的高再堵閥閥體進行超聲波檢測，發現閥體存在多條裂紋，本文取長度最大的裂紋缺陷作為討論對象。堵閥閥體缺陷打磨后照片分別如圖3、圖4所示，運行不同時間堵閥閥體超聲波檢測結果如表3所示。

圖3 運行1萬小時堵閥缺陷打磨后照片

圖4 運行7萬小時堵閥缺陷打磨后照片

表3 運行不同時間堵閥閥體超聲波檢測結果

從圖3、圖4可以看出，裂紋都位于堵閥頸部區域，此部位厚度變化較大，截面尺寸突變，在鑄造內應力作用下，極易產生疏松、裂紋等缺陷。鍋爐運行中堵閥承受較高的工作壓力，隨著鍋爐的運行，堵閥閥體內部小的缺陷進一步擴展形成裂紋，隨著運行時間的增長，裂紋長度和深度逐漸增加。另外，隨著鍋爐頻繁啟停和運行中承受壓力的變化，在工件截面突變部位也會產生新的應力集中，進一步引起工件表面裂紋的產生和擴展。同時，自然時效時間不足，導致閥體內部的應力無法釋放，最終也將導致裂紋的出現。因此，對堵閥閥體進行整體超聲波檢測是十分必要的。

2.3 硬度檢測

硬度是衡量金屬材料強度、彈性、塑性和韌性等力學性能的一項重要綜合指標，硬度值的大小能反映出材料在化學成分、組織結構和處理工藝上的差異，因此，硬度檢測常被作為材料監督的重要手段使用。

用便攜式里氏硬度計對運行7萬小時的主蒸汽堵閥和高再堵閥分別進行表面硬度檢測，測點位置示意圖如圖5所示，檢測結果分別如表4、表5所示。

圖5 堵閥硬度測點位置示意圖

表4 主蒸汽堵閥閥體硬度測試結果

表5 高再堵閥閥體硬度測試結果

從表4、表5來看，硬度值均達不到標準DL/T438—2016規定的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象的產生原因，進一步對該堵閥進行金相取樣分析。

2.4 金相分析

金相分析是通過金相顯微鏡來研究金屬和合金顯微組織大小、形態、分布、數量和性質的一種方法，它是金屬材料研究的重要手段之一。

對2.3中運行7萬小時的高再堵閥硬度偏低局部區域進行金相取樣，經酸腐蝕后，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。

在光學顯微鏡下觀察裂紋區域的微觀形貌特征，裂紋擴展末端區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，裂紋沿晶擴展，末端圓鈍，兩側脫碳比較明顯，裂口內存在較多氧化物。母材及裂紋兩側金相組織均為鐵素體加碳化物，為C12A材料的老化組織。

根據堵閥存在硬度偏低并形成老化組織這一現象看，是制造工序中回火熱處理工藝控制不當，形成了硬度偏低區域。堵閥正常回火熱處理溫度控制在770℃左右，如果回火時爐溫失控，表面的回火溫度可能接近AC1相變點，將產生過回火現象，導致馬氏體板條的高溫回火，使板條粗化，板條內的多邊化亞晶呈現明顯長大趨勢，位錯數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象出現，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 裂紋擴展末端區域微觀形貌

圖8 裂紋附近母材微觀組織形貌

3 結語

600MW超臨界機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，給運行過程中C12A鋼堵閥材料壽命過程監督及安全運行帶來了很大困擾。本文進行了一系列無損檢測試驗，得出了C12A鋼堵閥材料監督的有效檢測方法為：通過磁粉檢測手段發現表層及近表層微小裂紋，通過超聲波檢測手段探測內部埋藏較深的缺陷，通過硬度檢測和金相分析反映材料力學性能變化和組織老化規律。綜合利用以上檢測手段，不僅可以獲得不同狀態下組織與性能的對應關系，有利于長期運行中的金屬監督檢驗，逐步掌握材料老化規律，確保超臨界機組的安全穩定運行，也可為發電機組同類型金屬材料問題處理提供借鑒。

［參考文獻］

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

[2]火力發電廠金屬技術監督規程：DL/T438—2016[S].