基于矯頑力的12Cr1MoVG鋼球化無損評估

馬 括, 封小亮, 劉課秀

(廣州特種承壓設備檢測研究院, 廣州 510000)

12Cr1MoVG鋼具有較高的持久強度和持久塑性、良好的抗氧化性、無熱脆傾向、生產工藝簡單、較好的焊接性能等特點，主要應用于電站鍋爐等高溫零部件中，如蒸汽溫度不超過540 ℃的鍋爐集箱和蒸汽管道，金屬外壁溫度不超過580 ℃的過熱器、再熱器及部分鑄鍛件[1-3]。根據GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》，12Cr1MoVG 鋼的正常供貨狀態一般為正火+回火或淬火+回火，其正常組織為鐵素體+珠光體，鐵素體+貝氏體，或鐵素體+珠光體+貝氏體， 在溫度為500～580 ℃的長期運行過程中，組織中的珠光體/貝氏體將發生球化現象，即珠光體/貝氏體中的滲碳體(碳化物)的形態逐漸轉變為粒狀碳化物。隨著合金元素在固溶體和碳化物間的再分配及碳化物相結構的改變，12Cr1MoVG鋼的熱強性和力學性能隨著珠光體球化程度和固溶體中合金元素貧化程度的增加而逐漸降低，以致材料逐漸劣化甚至失效[4]。

根據DL/T 438—2016 《火力發電廠金屬技術監督規程》，12Cr1MoVG鋼的珠光體球化級別達到5級時，應對過熱器和再熱器管進行材料評定和壽命評估，然而現階段并沒有完善的方法能夠無損評估管道球化狀態及預測剩余壽命，通常采用割管檢驗的方法進行氧化皮厚度測量，從而推導出當量溫度與進行壽命評估[5]，割管檢驗的長周期嚴重影響了電廠的發電效率?；诖艤袨榈某C頑力測量對材料顯微組織演變、材料損傷與應力等具有高度敏感性，矯頑力是材料磁滯特征參數之一。針對12Cr1MoVG無縫鋼管，筆者采用矯頑力對鋼管進行分析，結合金相檢驗和力學性能測試等方法，研究了材料球化與矯頑力、服役時間之間的關系，得到通過矯頑力測量預測12Cr1MoVG 鋼管在服役條件下的球化組織特征及服役時間。

1 試驗方法與結果

1.1 試驗對象與試驗設備

試驗對象為某電廠12Cr1MoVG鋼割管分析試樣，經過化學成分分析，得到試樣材料中鉻元素的質量分數為0.9%～1.2%，鉬元素的質量分數為0.25%～0.35%，釩元素的質量分數為0.15%～0.30%，管子規格為51 mm×10 mm(外徑×壁厚)，12Cr1MoVG鋼管試樣宏觀形貌如圖1所示。試驗設備為Axiovert 200MAT型光學顯微鏡、Durascan-70型維氏硬度計、MC-WF-04型磁滯無損評估設備。

圖1 12Cr1MoVG鋼管試樣宏觀形貌

1.2 金相檢驗

將試樣橫截面打磨拋光后，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕，再用光學顯微鏡觀察其顯微組織，材料球化評級參考標準DL/T 773—2016 《火電廠用12Cr1MoVG鋼球化評級標準》，隨著珠光體/貝氏體區域的分散，邊界線逐漸模糊，碳化物聚集長大并在晶界處呈鏈狀、長條狀分布，鋼管由未球化(1級)向嚴重球化(5級)轉變。對不同位置進行觀察，獲得了未球化(1級)、輕度球化(2級)、中度球化(3級)、完全球化(4級)、嚴重球化(5級)的顯微組織形貌(見圖2)，其組織構成均為鐵素體+貝氏體+少量珠光體。

圖2 12Cr1MoVG鋼在不同球化級別下的顯微組織

1.3 硬度和力學性能試驗

依據GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗 第1部分: 試驗方法》，對顯微組織球化級別分布在1～5級的鋼管位置進行硬度測試，隨著鋼管球化級別逐漸增加，材料維氏硬度逐漸遞減；當球化級別達到5級時，維氏硬度接近標準要求下限值(DL/T 438-2016給出為135 HB，GB/T 5310—2017給出為135 HV)；依據GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分: 室溫試驗方法》，采用DNS300型萬能試驗機進行拉伸試驗，試驗結果如表1所示，隨著鋼管球化級別逐漸增加，抗拉強度逐漸降低，當球化級別達到5級時，抗拉強度已不滿足GB/T 5310—2017要求的下限值(470 MPa)，力學性能呈現出明顯劣化。

1.4 矯頑力測量

采用磁滯評估設備對鋼管材料顯微組織球化級別為1～5級的位置進行矯頑力測量，測量結果如表1所示。對于材料球化級別為1～5級的位置，隨著鋼管球化級別逐漸增加，材料矯頑力逐漸遞增。

表1 鋼管球化與矯頑力、維氏硬度的檢測結果

2 試驗結果分析

2.1 球化級別與維氏硬度

將維氏硬度取平均值，并進行統計分析，12Cr1MoVG鋼球化級別與矯頑力、維氏硬度之間的關系曲線如圖3所示(Rm為抗拉強度)，由圖3可知，隨著試樣組織球化程度的加劇，硬度逐漸遞減，在球化中期硬度下降較快，在球化中后期，硬度下降相對平緩。由于長期在高溫條件下運行，碳化物沉淀相會逐漸析出、聚集和粗化，因此固溶體中的合金元素脫溶和貧化現象越嚴重，基體固溶度越弱，材料硬度越低[6-7]；當鋼管球化程度接近5級時，硬度接近DL/T 438—2016附錄C中要求的下限值，測量的抗拉強度則低于GB/T 5310—2017標準要求的下限值。

圖3 12Cr1MoVG鋼球化級別與矯頑力、維氏硬度之間的關系曲線

2.2 球化級別與矯頑力

對試驗獲得的矯頑力數據取平均值，并進行統計分析，隨著試樣組織球化程度越來越嚴重，矯頑力逐漸遞增(見圖3)。當磁疇壁移動受到阻力或疇壁內磁矩改變方向受到阻力時，矯頑力會直接受到影響[8]，在12Cr1MoVG鋼的球化過程中，隨著晶內區域破碎化和碳化物的聚集長大，以及向晶界偏聚呈球狀、鏈狀分布，晶內碳化物由細小的均勻分布向粗大不均勻分布轉變，對疇壁造成的釘扎作用開始顯現，并且晶界鏈狀分布碳化物所形成的大量面缺陷在晶界附近形成較大作用范圍的釘扎中心，使得材料矯頑力逐漸增加[9]。

參考DL/T 438—2016規定，在電廠過熱器和再熱器管的檢驗監督中，當12Cr1MoVG鋼管組織的球化程度為5級，或其拉伸試驗性能不符合標準要求時，應割管進行材料評定和壽命評估工作，由圖3可知，當材料球化級別接近5級時，硬度逐漸下降至標準要求的下限值，而抗拉強度為451 MPa，已不符合標準要求。對表1中矯頑力與球化級別進行線性擬合，球化級別S與矯頑力測量值Hc之間的函數關系如式(1)所示。

S=0.92Hc-2.96(1)

2.3 球化級別與服役時間

12Cr1MoVG鋼在球化過程中，其珠光體(貝氏體)的轉變速率并不是恒定值，發生球化時間越長，轉變速率越慢，球化過程中，α-Fe的溶質原子減少導致球化速率減緩[10]，12Cr1MoVG 鋼在720 ℃下進行高溫球化加速模擬試驗時，組織演變球化級別與高溫球化時間呈指數變化關系[11]。根據該結果，可獲得材料由1級球化至不同球化級別所需時間與至嚴重球化所需時間的百分比，并進一步得到材料在不同球化級別下至嚴重球化的剩余時間百分比，鋼管加速球化模擬試驗時球化級別與時間的對應關系如表2所示。

表2 鋼管加速球化模擬試驗時球化級別與時間的對應關系

2.4 矯頑力與剩余時間

結合表1中各球化級別下的矯頑力與表2中鋼管在不同球化級別至5級球化程度的剩余時間百分比，繪制Hc與剩余時間Tr之間的關系曲線(見圖4)。通過Origin數據處理軟件對數據進行擬合，獲得的函數關系如式(2)所示。

圖4 球化級別與剩余時間百分比的關系曲線

結合鋼管的累積服役時間ta，得到比例關系如式(3)所示，結合現場Hc，推導出鋼管在特定蒸汽參數環境下球化至5級的剩余時間Tr如式(4)所示。當測得矯頑力接近或大于9 A/m時，材料球化程度嚴重，此時已不滿足式(4)的適用范圍。

3 結語

不同球化級別的12Cr1MoVG 鋼矯頑力和維氏硬度關系研究表明:材料球化過程中，硬度逐漸遞減，矯頑力逐漸增加，線性擬合出球化級別S與矯頑力Hc間的函數關系式；而材料球化程度與服役時間呈指數對應關系，通過擬合矯頑力與材料球化至特定級別的剩余時間百分比之間的關系，推導出材料至嚴重球化的剩余時間函數關系式。

基于矯頑力的無損評估方法，可快速判斷12Cr1MoVG鋼管的球化組織特征及在當前特定蒸汽參數下的持久壽命衰減情況，預測材料至嚴重球化的剩余時間，指導電廠適時開展割管試驗及壽命評估，防止材料球化失效導致的事故發生。