12Cr1MoV鋼管球化4級(jí)性能分析及壽命評(píng)估

王道銀

(云南天安化工有限公司， 云南安寧 650309)

12Cr1MoV鋼是一種性能優(yōu)良的鐵素體加珠光體耐熱鋼，廣泛應(yīng)用在電站鍋爐高溫部件中，主要用于蒸汽溫度不超過(guò)540 ℃的關(guān)鍵部位，如集氣集箱、主蒸汽管、過(guò)熱器集箱、過(guò)熱蒸汽管、再熱蒸汽管等。

該鋼種在制造時(shí)，通過(guò)規(guī)定的熱處理方式可獲得鐵素體加珠光體組織，原始珠光體組織球化級(jí)別一般為1.0～2.0級(jí)(即未球化和輕度球化)，可焊性好，性能優(yōu)良。

12Cr1MoV鋼長(zhǎng)期在高溫下使用后，珠光體組織中的片狀滲碳體會(huì)聚集成為球狀滲碳體，并被逐漸球化；α固溶體中的合金元素向碳化物發(fā)生轉(zhuǎn)移，金相組織發(fā)生合金元素貧化；碳化物在晶界內(nèi)或者邊緣沉淀并長(zhǎng)大，造成組織劣化，降低鋼材的強(qiáng)度，剩余壽命減少[1]。鋼材被球化后，韌性、持久性、硬度均降低。

鐵素體加珠光體耐熱鋼的各個(gè)球化級(jí)別與對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能有標(biāo)準(zhǔn)參考值[2]。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)參考值，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼材做球化級(jí)別和硬度檢驗(yàn)分析，可初步推斷材料的剩余強(qiáng)度值。但在實(shí)際工程和生產(chǎn)過(guò)程中，不同制造廠家的原始球化級(jí)別不同、原材料質(zhì)量差異，以及使用工況變化、使用時(shí)間長(zhǎng)短等因素，均會(huì)對(duì)材料使用后期的性能產(chǎn)生很大影響。此時(shí)，僅對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)參考值來(lái)判斷材料使用后的性能優(yōu)劣，無(wú)法對(duì)其剩余壽命做出科學(xué)判斷。

有相關(guān)文獻(xiàn)研究表明[3]，12Cr1MoV鋼球化速度和硬度之間存在一定關(guān)系，即隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，球化速度減緩。在現(xiàn)場(chǎng)獲取大量的硬度數(shù)據(jù)，通過(guò)建模來(lái)回歸分析球化等級(jí)和硬度之間的關(guān)系，但對(duì)于材料真正的性能情況、是否繼續(xù)使用以及剩余壽命情況，均不能很好地判斷。

我國(guó)火電廠眾多，高壓蒸汽管道數(shù)量龐大，服役超過(guò)30年以上的機(jī)組大部分在繼續(xù)運(yùn)行[4]。鋼管金相組織球化級(jí)別達(dá)到完全球化或嚴(yán)重球化時(shí)，究竟是更換還是繼續(xù)使用，業(yè)內(nèi)專家觀點(diǎn)不一。有的人認(rèn)為球化級(jí)別達(dá)到了完全球化和嚴(yán)重球化時(shí)，應(yīng)予以更換；有的人認(rèn)為完全球化和嚴(yán)重球化雖會(huì)導(dǎo)致材料性能下降，但并不代表材料性能不能滿足使用要求，不能簡(jiǎn)單根據(jù)球化級(jí)別判定管道是否需要更換。

在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[5]中明確規(guī)定，當(dāng)12Cr1MoV鋼蒸汽管道金相組織珠光體球化達(dá)到5級(jí)，或者蠕變應(yīng)變達(dá)到1%，再或者蠕變速度大于0.35×10-5%/h時(shí)，應(yīng)割管后再對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行評(píng)定和壽命評(píng)估。材質(zhì)評(píng)定包括常規(guī)的機(jī)械性能、高溫力學(xué)性能、硬度、金相、持久強(qiáng)度、剩余壽命計(jì)算等[4]，為蒸汽管道延壽提供技術(shù)上的依據(jù)，有利于充分發(fā)揮蒸汽管道的運(yùn)行潛力。

1 管道使用情況及存在問題

云南天安化工有限公司3臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床高壓鍋爐于2008年建設(shè)，累計(jì)運(yùn)行11萬(wàn)h。高溫蒸汽管道材質(zhì)為12Cr1MoV，管道規(guī)格為φ450 mm×38 mm，管道長(zhǎng)度約為300 m，操作壓力為9.8 MPa，操作溫度為540 ℃。2020年，檢驗(yàn)單位在現(xiàn)場(chǎng)做金相檢驗(yàn)，判定珠光體球化級(jí)別為4.0～4.5級(jí)(完全球化)。由于接近球化5.0級(jí)(嚴(yán)重球化)，檢驗(yàn)單位要求更換此管道。如要更換，則準(zhǔn)備期及施工期很長(zhǎng)，材料費(fèi)及施工費(fèi)預(yù)估約為600萬(wàn)元。

該條管道服役時(shí)間遠(yuǎn)不足20萬(wàn)h，使用過(guò)程中未出現(xiàn)異常工況，蠕變應(yīng)變和蠕變速率也未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求[5]。未對(duì)材料進(jìn)行全面分析和評(píng)估，僅根據(jù)球化級(jí)別達(dá)到4級(jí)就簡(jiǎn)單要求更換，會(huì)造成材料浪費(fèi)，企業(yè)也要為更換管道花費(fèi)不必要的投資。

2021年10月，利用裝置大修時(shí)機(jī)，在管道上隨機(jī)割管1 m取樣材質(zhì)，對(duì)此進(jìn)行評(píng)定和壽命分析，得出相關(guān)分析結(jié)果。

2 性能檢測(cè)

性能檢測(cè)包括宏觀檢查、化學(xué)成分分析、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相分析、硬度檢驗(yàn)、持久強(qiáng)度試驗(yàn)等。

2.1 宏觀檢查

管道取樣品的宏觀外貌(見圖1)，外表面狀態(tài)正常。

圖1 管道宏觀外貌

測(cè)量管道取樣品圓周方向3個(gè)位置的壁厚和外徑(見表1)，從測(cè)量數(shù)據(jù)可知，壁厚和外徑值正常。

表1 管道壁厚和外徑測(cè)量值 mm

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)取樣管段進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。由表2可知：管樣的化學(xué)成分分析結(jié)果符合GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》對(duì)12Cr1MoVG的要求。

表2 取樣管段化學(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 拉伸試驗(yàn)

對(duì)主蒸汽管段母材取試樣進(jìn)行室溫和高溫拉伸性能試驗(yàn)(其中，Z代表縱向、H代表橫向)，結(jié)果見表3和表4。

表3 主蒸汽管段室溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

GB/T 5310—2017中，對(duì)于12Cr1MoVG來(lái)說(shuō)，室溫時(shí)，抗拉強(qiáng)度(Rm)為470～640 MPa，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度(Rp0.2)≥255 MPa，斷后伸長(zhǎng)率(A)縱向≥21.0%，斷后伸長(zhǎng)率(A)橫向≥19.0%；高溫時(shí)，Rp0.2≥190 MPa。由試驗(yàn)結(jié)果可知：室溫和高溫的力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 主蒸汽管段高溫拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

2.4 沖擊試驗(yàn)

對(duì)主蒸汽管段母材取試樣進(jìn)行室溫沖擊性能試驗(yàn)，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，沖擊結(jié)果見表5。GB/T 5310—2017中，12Cr1MoVG的沖擊功(KV2)中，橫向≥27 J，縱向≥40 J。由試驗(yàn)結(jié)果可知：主蒸汽管段的縱向、橫向沖擊功遠(yuǎn)優(yōu)于GB/T 5310—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoVG鋼管的要求。

表5 主蒸汽管段室溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J

2.5 金相分析

對(duì)主蒸汽割管段母材取橫向、縱向試樣，在光學(xué)顯微鏡下對(duì)磨拋和侵蝕后的金相樣進(jìn)行觀察，形貌見圖2和圖3。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：主蒸汽割管段母材組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7～8級(jí)，組織正常，球化4級(jí)。

圖2 主蒸汽管段橫向塊樣金相形貌

圖3 主蒸汽管段縱向塊樣金相形貌

2.6 硬度檢驗(yàn)

對(duì)主蒸汽割管段母材取橫向、縱向試樣，在沿壁厚方向靠?jī)?nèi)壁、中部、靠外壁部位進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表6。

GB/T 5310—2017 中，要求12Cr1MoVG新鋼管的維氏硬度值為135～195 HV。由表6可知：各試驗(yàn)部位維氏硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr1MoVG的要求。

2.7 持久強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)取樣管母材取橫向試樣進(jìn)行持久強(qiáng)度試驗(yàn)。取運(yùn)行溫度540 ℃，在高溫蠕變和持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行持久試驗(yàn)，結(jié)果見表7。

表7 主蒸汽管段持久試驗(yàn)結(jié)果

3 壽命分析

蒸汽管道壽命評(píng)估分析常用的方法有等溫線外推法、L-M參數(shù)法、θ法[4]。本文采用等溫線外推法來(lái)進(jìn)行壽命分析評(píng)估。

試驗(yàn)溫度取與管道運(yùn)行相同條件下的溫度(540 ℃)，根據(jù)試驗(yàn)材料的持久斷裂數(shù)據(jù)，按應(yīng)力和蠕變斷裂時(shí)間之間的經(jīng)驗(yàn)公式(1)確定出試驗(yàn)材料常數(shù)k、m。

σ=k(tr)m

(1)

其中：σ為試樣加載的應(yīng)力水平，MPa；tr為斷裂時(shí)間，h；k、m為試驗(yàn)確定的材料常數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，k為205.92，m為-0.067 4。

為簡(jiǎn)化計(jì)算并推出應(yīng)力-斷裂時(shí)間擬合曲線，對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，并令：

y=lgσ，x=lgt，a=lgk，b=m

式(1)簡(jiǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)直線方程：

y=a+bx

(2)

根據(jù)上述簡(jiǎn)化方程以及持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，繪制出主蒸汽管道540 ℃下的應(yīng)力-斷裂時(shí)間擬合曲線，見圖4。

圖4 540 ℃下的應(yīng)力-斷裂時(shí)間擬合曲線

根據(jù)等溫線外推法計(jì)算，該材料在540 ℃運(yùn)行溫度下運(yùn)行1萬(wàn)h，其持久強(qiáng)度為110.71 MPa；運(yùn)行10萬(wàn)h，其持久強(qiáng)度為94.77 MPa。

經(jīng)計(jì)算，該管道的環(huán)向應(yīng)力為55.45 MPa，根據(jù)等溫線外推法持久強(qiáng)度推算結(jié)果，可知該材料在540 ℃運(yùn)行溫度下再運(yùn)行10萬(wàn)h后，其持久強(qiáng)度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)向應(yīng)力。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)主蒸汽管取樣分析，判定壁厚和外徑測(cè)量值正常，化學(xué)成分、硬度值、沖擊功、常溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

主蒸汽割管段金相組織為鐵素體加珠光體，球化級(jí)別為4.0級(jí)。根據(jù)持久性能數(shù)據(jù)，按等溫線外推法計(jì)算，在正常溫度運(yùn)行條件下，再運(yùn)行10萬(wàn)h后的材料持久強(qiáng)度仍然高于管段環(huán)向應(yīng)力。根據(jù)此結(jié)果，可判斷該管道材質(zhì)狀態(tài)正常，可繼續(xù)使用，剩余壽命在10萬(wàn)h以上。

5 結(jié)語(yǔ)

有了上述理論分析結(jié)果，為管道繼續(xù)運(yùn)行并充分發(fā)揮有效潛力提供了有力的依據(jù)。檢驗(yàn)單位沒有再提出更換該條管線的要求，只需定期開展檢測(cè)工作，為企業(yè)節(jié)省了大量的管道材料更換費(fèi)用。