分享：12Cr1MoV钢管在长时服役后组织及拉伸性能的退化
杨 滨,孙文起,蒋文春,赵延灵
(中国石油大学(华东)化学工程学院,重质油国家重点实验室,青岛 ２６６５８０)
摘 要:研究了１２Cr１MoV 钢主蒸汽管道在长时(２６a)服役后的显微组织以及室温与高温拉伸性能,并与未服役钢管的进行了对比.结果表明:长时服役后钢管的组织退化表现为珠光体明显球化、层状 Fe３C相明显碎化、铁素体中析出 M７C３ 型碳化物以及晶粒明显长大;与未服役钢管相比,长时服役后钢管的室温屈服强度明显降低,但室温抗拉强度变化不大,高温屈服强度和抗拉强度则均明显降低;长时服役后钢管的室温拉伸断口存在典型的纤维区和撕裂区,为韧性断裂,高温拉伸时发生准解理断裂.
关键词:长时服役;显微组织;主蒸汽管道;拉伸性能
中图分类号:TB３５ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００２４Ｇ０４
０ 引 言
２０世纪８０年代建造的火电厂机组的操作时间已经接近甚至超过其初始设计寿命(３０a),面临的超期服役问题日趋严峻.作为连接锅炉与汽轮机的“主动脉”,主蒸汽管道长期在高温、高压下工作,是火电厂四大管道中运行工况最恶劣、事故发生数量最多的部件[１];其长时甚至超时服役严重影响了火电厂的正常发电和安全运行[２].但是,批量更换长时服役的主蒸汽管道并不符合我国当前的基本国情:新主蒸汽管道的铺设时间长,停车更换与当前持续递增的能源需求相矛盾;主蒸汽管道的制造成本高,会加重火电厂的经济负担.因此,对主蒸汽管道进行状态检修和延寿评估是火电厂的重要工作内容之一.
在长时服役过程中,主蒸汽管道会发生组织结构转变[３Ｇ４]、析出物粗化[５]、蠕变孔洞萌生Ｇ长大Ｇ聚合[６]等变化;这些蠕变损伤会削弱材料的析出强化、晶界强化和固溶强化等作用,降低其承载能力,从而增大设备的失效风险[７].为将风险维持在可控范围之内,需要更细致地表征主蒸汽管道的损伤情况,明确材料组织损伤与力学性能退化之间的关系[８].但是,蠕变是一个与时间密切相关的过程,在实验室进行的蠕变以及长时时效研究采用的都是加速试验方法,其蠕变机制与实际工况下的有所不同,这会给组织损伤分析带来很大的不确定性.为此,作者以某炼化厂动力车间服役２６a的火电机组用１２Cr１MoV 钢主蒸汽管道为研究对象,观察了该钢管的显微组织,测 试 了 其 室 温、高 温 拉 伸 性 能,并 与 未 服 役１２Cr１MoV钢管的进行了对比,分析了长时服役条件下显微组织以及拉伸性能的退化程度,为剩余寿命评估提供基础数据.
１ 试样制备与试验方法
试验材料取自某炼化厂动力车间服役２６a的主蒸汽钢管以及未服役钢管(见图１),钢管材料为１２Cr１MoV 钢,外径和壁厚分别为 ２７４,３４ mm,生产厂家相同.服役温度为５２０ ℃,压力为１１ MPa.
未服役１２Cr１MoV 钢管的化学成分见表１.
在未服役和服役２６a的１２Cr１MoV 钢管上线切割出金相试样,经机械抛光,用体积分数４％硝酸酒精溶液腐蚀后,在 LeicaDM４ M 型光学显微镜(OM)和JSMＧ６６１０A 型扫描电子显微镜(SEM)下观察显微组织.
在未服役和服役２６a的１２Cr１MoV 钢管近外壁处制备出直径５mm 的标准圆棒拉伸试样,尺寸见图２.采用MTSLandmark３７０．１０拉伸试验系统,分别按照 GB/T２２８．１－２０１０和 GB/T４３３８－２００６进行室温(２０ ℃)和高温(５２０ ℃)拉伸试验,引伸计标距为２０ mm,采用位移控制模式,拉伸速度为０．０６mm??min－１.在不施加任何轴向载荷条件下,将试样从室温加热至５２０℃保温３０min后进行高温拉伸试验.为降低偶然性,每组试验各重复一次.
图２ 拉伸试样的尺寸
Fig．２ Dimensionoftensilespecimen
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
由图３可见:未服役钢管的显微组织主要由铁素体和珠光体组成,珠光体内具有致密的层状结构,铁素体内部及晶界处均未发现明显的析出物;长时服役(即服役２６a)后钢管的显微组织也主要由铁素体和珠光体组成,但珠光体发生明显球化,珠光体内的层状 Fe３C相明显碎化,铁素体内析出大量 M７C３型碳化物且出现零星的蠕变孔洞,晶界处未出现明显的蠕变孔洞,但析出了链状 M２３C６ 型碳化物.应用图像分析方法[９]统计得到未服役钢管和长时服役钢管的晶粒直径分别约为２０,３５μm,可见长时服役后的晶粒尺寸明显增大.
实验室模拟长时时效通常采用提高温度的放大加速试验,材料受温度影响较大.在实验室模拟长时时效条件下,１２Cr１MoV 钢的组织退化主要表现为碳化物类型、尺寸和数量的变化以及珠光体的球化.例如:姜勇等[１０]的长时时效试验表明,碳化物类型和含量的变化是１２Cr１MoV 钢组织退化的主要形式;张而耕等[１１]的研究结果也显示,１２Cr１MoV
钢的劣化程度主要与碳化物的变化有关.由于固溶合金元素会随着碳化物类型的转变而变化[１２],因此在实验室模拟长时时效下的组织退化主要影响的是１２Cr１MoV 钢的固溶强化作用.在真实工况下,温度和载荷对材料均有明显的影响,在热力学驱动力及扩散动力的作用下,晶粒会持续而缓慢地长大.
由于晶粒长大速率很小,需要较长时间后才能观测到晶粒尺寸的明显变化,因此在实验室模拟时间较短条件下,无法观测到明显的晶粒尺寸变化.
２．２ 拉伸性能
由图４可以看出:未服役钢管在室温(２０ ℃)和高温(５２０ ℃)下的拉伸曲线均没有出现屈服平台,但长时服役后的钢管均出现了明显的屈服平台;长时服役 后 钢 管 的 室 温 屈 服 强 度 由 未 服 役 钢 管 的３７７．７ MPa降低至２２９．６ MPa,长时服役和未服役钢管的室温抗拉强度分别为４７５．８,４７４．６ MPa,相差很小;长时服役后钢管的高温屈服强度和高温抗拉强度分别为１７３．７,１９７．２MPa,明显低于未服役钢管的(２５７．３,４１５．２MPa).结合显微组织分析可知,长时服役后钢管组织虽然发生了珠光体球化的变化,但在室温下依然表现出较好的抗拉性能,球化的珠光体
仅导致了屈服强度的明显降低;在高温下,在热力学驱动力的作用下球化珠光体的片层间距进一步增大,同时晶粒尺寸变大使得晶界总长度减小,致使晶界强化作用减弱,且碳化物的进一步析出导致固溶强化效果减弱,同时不断聚集长大的碳化物引起局部应力集中,在上述因素的影响下,长时服役后钢管的高温抗拉强度、屈服强度均大幅降低.
由图５可知:长时服役后,钢管的室温拉伸断口包含典型的纤维区和剪切撕裂区,且局部有明显的韧窝,为韧性失效;其高温拉伸断口未发现明显的剪切区,局部为准解理失效.这表明长时服役后钢管的常温和高温拉伸性能的退化机理是有差异的.这是因为不同温度下晶内和晶界的相对强度不同;室温拉伸性能主要由晶内强度决定,高温拉伸性能则主要由晶界强度决定.因此,不能简单地通过关联室温和高温拉伸性能来建立简化的寿命评估判据,而应进一步研究力学性能退化的温度相关性.
３ 结 论
(１)长时服役后１２Cr１MoV 钢管的组织退化表现为珠光体明显球化、层状 Fe３C相明显碎化、铁素体中析出 M７C３ 型碳化物以及晶粒明显长大;长时服役后１２Cr１MoV 钢对蠕变孔洞并不敏感,仅在晶粒内部分布有零星的蠕变孔洞.
(２)与未服役钢相比,长时服役后１２Cr１MoV钢的室温屈服强度明显降低,但室温抗拉强度变化不大,高温屈服强度和抗拉强度则均明显降低;长时服役后１２Cr１MoV 钢的室温拉伸断口存在典型的纤维区和撕裂区,为韧性断裂,高温拉伸时受组织损伤的影响发生准解理断裂.长时服役后１２Cr１MoV钢的室温及高温拉伸性能退化机理不相同,在后续的寿命评估中需要区别对待.
