循環流化床機組管道高溫運行后的性能分析

孫賀斌，周治伊，楊佩旭，錢亞勇，呂巖婷

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

循環流化床鍋爐采用了高效、節能、低污染的燃煤新技術，其燃料適應性廣、燃燒效率高、NOx排放低、結構簡單、操作方便等諸多優點受到廣泛關注。12Cr1MoV鋼是一種珠光體耐熱鋼，廣泛應用于汽輪機、鍋爐等動力工程中，特別是用于蒸汽渦輪和火力發電廠的鍋爐。

鋼在高溫、高壓及腐蝕性的環境中長期使用，要求具有較高的持久強度和持久塑性，良好的抗氧化性能，且無熱脆傾向。了解12Cr1MoV運行后的組織和性能變化，積累相關材料運行數據，對于保障電廠安全生產有重要意義。

以1臺過熱蒸汽出口壓力為13.73 MPa、過熱器出口溫度為540 ℃的循環流化床鍋爐為例，對其運行70 000 h后的12Cr1MoV材質主蒸汽管段進行性能試驗研究。

1 試驗材料與方法

試驗材料選擇12Cr1MoV材質的主蒸汽直管段和彎頭，規格為φ377 mm×36 mm；通過尺寸測量、化學成分、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，尋找12Cr1MoV運行70 000 h后組織和性能的變化規律。

2 試驗分析

2.1 尺寸測量

采用DM5E型超聲波測厚儀分別對取樣管直管段和彎頭進行3次厚度測量，其中彎管測量值均在38.0 mm左右，直管段測量值均在35.0 mm左右，減薄量在公稱壁厚36 mm的2 %左右。故管壁厚度未見明顯減薄現象，厚度基本均勻。厚度測量分析結果如圖1所示。

圖1 厚度測量結果分析

2.2 化學成分

采用ARL4460型大型直讀光譜儀對取樣管直管段及彎頭進行材質成份分析，橫截面材質成份中各元素含量滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對12Cr1MoV材質的要求，具體分析結果見表1。

表1 12Cr1MoV鋼的化學成分質量分數 %

2.3 力學性能

對12Cr1MoV取樣管進行室溫拉伸試驗，試驗結果見表2。

表2 12Cr1MoV室溫拉伸試驗結果

由表2可知，所取主蒸汽管樣室溫環境下各項力學性能試驗結果均滿足GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》的標準要求。

為進一步了解主蒸汽管在運行溫度下的力學性能，按該標準要求將此管樣在550 ℃環境下進行了3組拉伸試驗，結果顯示所取主蒸汽管樣的抗拉強度分別達到了353 MPa，361 MPa， 368 MPa，均符合該標準中550 ℃環境該材質不小于187 MPa的要求。

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

采用臺式布氏硬度計對取樣管段進行布氏硬度檢測，硬度檢測部位為取樣管橫截面和外表面。試驗選用直徑2.5 mm硬質合金鋼球，施加1.839 kN試驗力，保載時間15 s，實測硬度采取HBW2.5/187.5，具體硬度檢測結果見表3。

表3 布氏硬度檢測結果 HB

依據DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規程》對于12Cr1MoV鋼管材135～195 HB的硬度要求，受檢管樣硬度均符合標準要求，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明顯，趨于標準下限。

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臺式顯微鏡下分別采用不同倍數進行微觀組織分析。

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，貝氏體由晶界向晶內平行生長的扁平狀的α-Fe鐵素體，并在其間夾著斷續的點狀和短棒狀碳化物組成的復相組織，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、熱處理工藝中參數控制不當對取樣位置管材表面金相組織的影響。

從彎頭內、外壁橫截面觀察，基體組織呈鐵素體+珠光體形態，珠光體區域已開始分散，仍保留原有的區域形態，部分碳化物呈條狀、點狀，試樣內壁組織與外壁組織基本一致，依據DL/T 884—2019《火電廠金相檢驗與評定技術導則》中珠光體組織球化進行評定，為球化2級。

2.5 脫碳層測量

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范圍內的組織形貌與內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部逐漸呈減小趨勢，表層下約0.4 mm以外范圍內組織基本均勻，由此可見主蒸汽管道外表層金相組織不良。

2.6 X射線衍射分析

對主蒸汽管直管取樣進行X射線衍射分析，以2θ的角度掃描整個衍射區域，作為角度變化，作為X射線衍射譜的橫坐標；以衍射強度作為縱坐標。根據衍射圖譜分析，其結構以Fe2O3相為主，少量SiO2相。

3 結論

(1) 12Cr1MoV運行70 000 h后硬度試驗、室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、室溫沖擊試驗及材質成份分析結果均滿足要求。

(2) 12Cr1MoV運行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、熱處理工藝中參數控制不當對取樣位置管材表面金相組織的影響。

(3) 12Cr1MoV運行70 000 h后直管段、彎頭側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明顯，趨于標準下限；外表面的碳化物分布層和脫碳層是導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，主蒸汽管樣已累計運行約7.85萬h，室溫及高溫(550 ℃)力學性能結果均滿足標準要求，在正常運行工況下可繼續服役。