分享：基于矫顽力的12Cr1MoVG钢球化无损评估
摘 要:采用金相检验、硬度测试、力学性能测试和矫顽力测量等方法研究了12Cr1MoVG 钢的 材料球化与矫顽力、服役时间之间的关系。结果表明:通 过 测 量 矫 顽 力 可 以 无 损、快 捷 地 预 测 12Cr1MoVG 钢管在服役条件下的球化组织特征及服役时间。该测量结果可为相关单位开展割管 处理和寿命评估,预防材料球化失效工作提供借鉴。
关键词:矫顽力;12Cr1MoVG 钢;球化级别;寿命评估
中图分类号:TG142 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)06-0034-04
12Cr1MoVG 钢具有较高的持久强度和持久塑 性、良好的抗氧化性、无热脆倾向、生产工艺简单、较 好的焊接性能等特点,主要应用于电站锅炉等高温 零部件中,如蒸汽温度不超过540 ℃的锅炉集箱和 蒸汽管道,金属外壁温度不超过580℃的过热器、再 热器 及 部 分 铸 锻 件[1-3]。 根 据 GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》,12Cr1MoVG 钢的正常供 货状态一般为正火+回火或淬火+回火,其正常组 织为铁素体+珠光体,铁素体+贝氏体,或铁素体+ 珠光体+贝氏体,在温度为500~580 ℃的长期运 行过程中,组织中的珠光体/贝氏体将发生球化现 象,即珠光体/贝氏体中的渗碳体(碳化物)的形态逐 渐转变为粒状碳化物。随着合金元素在固溶体和碳 化 物 间 的 再 分 配 及 碳 化 物 相 结 构 的 改 变, 12Cr1MoVG 钢的热强性和力学性能随着珠光体球 化程度和固溶体中合金元素贫化程度的增加而逐渐 降低,以致材料逐渐劣化甚至失效[4]。
根据 DL/T438—2016 《火力发电厂金属技术 监督规程》,12Cr1MoVG 钢 的 珠 光 体 球 化 级 别 达 到5级时,应 对 过 热 器 和 再 热 器 管 进 行 材 料 评 定 和寿命评估,然 而 现 阶 段 并 没 有 完 善 的 方 法 能 够 无损评估管 道 球 化 状 态 及 预 测 剩 余 寿 命,通 常 采 用割管检验 的 方 法 进 行 氧 化 皮 厚 度 测 量,从 而 推 导出当量 温 度 与 进 行 寿 命 评 估[5],割 管 检 验 的 长 周期严重影响了电厂的发电效率。基于磁滞行为 的矫顽力测 量 对 材 料 显 微 组 织 演 变、材 料 损 伤 与 应力等具有 高 度 敏 感 性,矫 顽 力 是 材 料 磁 滞 特 征 参数之一。针对12Cr1MoVG 无缝钢管,笔者采用 矫顽力对钢 管 进 行 分 析,结 合 金 相 检 验 和 力 学 性 能测试等方法,研究了材料球化与矫顽力、服役时间 之 间 的 关 系,得 到 通 过 矫 顽 力 测 量 预 测 12Cr1MoVG 钢管在 服 役 条 件 下 的 球 化 组 织 特 征 及服役时间。
1 试验方法与结果
1.1 试验对象与试验设备
试验对象为某电厂12Cr1MoVG 钢割管分析试 样,经过化学成分分析,得到试样材料中铬元素的质 量分数 为 0.9% ~1.2%,钼 元 素 的 质 量 分 数 为 0.25%~0.35%,钒 元 素 的 质 量 分 数 为 0.15% ~ 0.30%,管子规格为51mm×10mm(外径×壁厚), 12Cr1MoVG 钢管试样宏观形貌如图1所示。试验 设 备 为 Axiovert 200MAT 型 光 学 显 微 镜、 Durascan-70型 维 氏 硬 度 计、MC-WF-04 型 磁 滞 无 损评估设备。
1.2 金相检验
将试样横截面打磨抛光后,用体积分数为4%的硝酸酒精溶液侵蚀,再用光学显微镜观察其显微 组织,材料球化评级参考标准 DL/T773—2016《火 电厂用12Cr1MoVG 钢球化评级标 准》,随 着 珠 光 体/贝氏体区域的分散,边界线逐渐模糊,碳化物聚 集长大并在晶界处呈链状、长条状分布,钢管由未球 化(1级)向严重球化(5级)转变。对不同位置进行 观察,获得了未球化(1级)、轻度球化(2级)、中度球 化(3级)、完全球化(4级)、严重球化(5级)的显微 组织形貌(见图2),其组织构成均为铁素体+贝氏 体+少量珠光体。
1.3 硬度和力学性能试验
依据 GB/T4340.1—2009《金属维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,对显微组织球化级别分布在 1~5级的钢管位置进行硬度测试,随着钢管球化级 别逐渐增加,材料维氏硬度逐渐递减;当球化级别达 到5级 时,维 氏 硬 度 接 近 标 准 要 求 下 限 值 (DL/T 438-2016给出为135HB,GB/T5310—2017给出 为135 HV);依据 GB/T228.1—2010 《金属 材 料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,采用 DNS300 型万能试验机进行拉伸试验,试验结果如表1所示, 随着钢管球化级别逐渐增加,抗拉强度逐渐降低,当 球化级 别 达 到 5 级 时,抗 拉 强 度 已 不 满 足 GB/T 5310—2017要求的下限值(470 MPa),力学性能呈 现出明显劣化。
1.4 矫顽力测量
采用磁滞评估设备对钢管材料显微组织球化级 别为1~5级的位置进行矫顽力测量,测量结果如 表1所示。对于材料球化级别为1~5级的位置,随 着钢管球化级别逐渐增加,材料矫顽力逐渐递增。
2 试验结果分析
2.1 球化级别与维氏硬度
将维 氏 硬 度 取 平 均 值,并 进 行 统 计 分 析, 12Cr1MoVG钢球化级别与矫顽力、维氏硬度之间的关系曲线如图3所示(Rm 为抗拉强度),由图3可 知,随着试样组织球化程度的加剧,硬度逐渐递减,在 球化中期硬度下降较快,在球化中后期,硬度下降相 对平缓。由于长期在高温条件下运行,碳化物沉淀相 会逐渐析出、聚集和粗化,因此固溶体中的合金元素 脱溶和贫化现象越严重,基体固溶度越弱,材料硬度 越低[6-7] ;当钢管球化程度接近5级时,硬度接近 DL/ T438—2016附录C中要求的下限值,测量的抗拉强 度则低于 GB/T5310—2017标准要求的下限值。
2.2 球化级别与矫顽力
对试验获得的矫顽力数据取平均值,并进行统 计分析,随着试样组织球化程度越来越严重,矫顽力 逐渐递增(见图3)。当磁畴壁移动受到阻力或畴壁 内磁矩改变方向受到阻力时,矫顽力会直接受到影 响[8],在12Cr1MoVG 钢的球化过程中,随着晶内区 域破碎化和碳化物的聚集长大,以及向晶界偏聚呈 球状、链状分布,晶内碳化物由细小的均匀分布向粗 大不均匀分布转变,对畴壁造成的钉扎作用开始显 现,并且晶界链状分布碳化物所形成的大量面缺陷 在晶界附近形成较大作用范围的钉扎中心,使得材 料矫顽力逐渐增加[9]。
参考 DL/T438—2016规定,在电厂过热器和 再热器管的检验监督中,当12Cr1MoVG 钢管组织 的球化程度为5级,或其拉伸试验性能不符合标准 要求时,应割管进行材料评定和寿命评估工作,由 图3可知,当材料球化级别接近5级时,硬度逐渐下降至标准要求的下限值,而抗拉强度为451MPa,已 不符合标准要求。对表1中矫顽力与球化级别进行 线性拟合,球化级别S 与矫顽力测量值 Hc 之间的 函数关系如式(1)所示。
2.3 球化级别与服役时间
12Cr1MoVG 钢在球化过程中,其珠光体(贝氏 体)的转变速率并不是恒定值,发生球化时间越长, 转变速率越慢,球化过程中,α-Fe的溶质原子减少 导致球化速率减缓[10],12Cr1MoVG 钢在720 ℃下 进行高温球化加速模拟试验时,组织演变球化级别 与高温球化时间呈指数变化关系[11]。根据该结果, 可获得材料由1级球化至不同球化级别所需时间与 至严重球化所需时间的百分比,并进一步得到材料 在不同球化级别下至严重球化的剩余时间百分比, 钢管加速球化模拟试验时球化级别与时间的对应关 系如表2所示。
2.4 矫顽力与剩余时间
结合表1中各球化级别下的矫顽力与表2中钢 管在不同球化级别至5级球化程度的剩余时间百分 比,绘制 Hc 与剩余时间 Tr 之间的关系曲线(见图 4)。通过 Origin数据处理软件对数据进行拟合,获 得的函数关系如式(2)所示。
结合钢管的累积服役时间ta,得到比例关系如 式(3)所示,结合现场 Hc,推导出钢管在特定蒸汽 参数环境下球化至5级的剩余时间 Tr 如式(4)所 示。当测得矫顽力接近或大于9A/m 时,材料球化程度严重,此时已不满足式(4)的适用范围。
3 结语
不同球化级别的12Cr1MoVG 钢矫顽力和维氏 硬度关系研究表明:材料球化过程中,硬度逐渐递 减,矫顽力逐渐增加,线性拟合出球化级别S 与矫 顽力 Hc 间的函数关系式;而材料球化程度与服役 时间呈指数对应关系,通过拟合矫顽力与材料球化 至特定级别的剩余时间百分比之间的关系,推导出 材料至严重球化的剩余时间函数关系式。
基于 矫 顽 力 的 无 损 评 估 方 法,可 快 速 判 断 12Cr1MoVG 钢管的球化组织特征及在当前特定蒸 汽参数下的持久寿命衰减情况,预测材料至严重球 化的剩余时间,指导电厂适时开展割管试验及寿命 评估,防止材料球化失效导致的事故发生。
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