Page 23 - 理化检验-物理分册2024年第三期
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廖建开, 等: 长时运行过热器 12Cr1MoV 钢管的内壁氧化层


            素体交界处; 其热影响区组织以细小的铁素体 + 贝                          号为 试 样 1~3 , 试 样 1~3 的 服 役 时 间 分 别 为

            氏体 + 颗粒状析出物为主, 靠近熔合线处晶粒粗大,                        105000 , 131000 , 146000h 。将试样 1~3 内壁表

                                                               面用石油醚超声清洗 15min后, 再使用无水乙醇超
            呈长条状不均匀分布; 焊缝区组织由网状铁素体 +


            细小的贝氏体 + 析出物组成, 网状铁素体含量明显                          声清洗 15min , 然后在真空干燥箱中干燥 600min ,

            低于熔合线附近, 晶粒分布较均匀, 部分颗粒析出物                          干燥温度为 60 ℃ 。
            呈条状不均匀分布于晶界上, 导致在高温服役条件                                采用场发射扫描电镜( SEM ) 观察试样基材与
            下 12Cr1MoV 钢焊接接头的拉伸性能和冲击性能                         氧化层的界面组织形貌。采用能谱仪( EDS ) 对试样
            明显下降 低     [ 7-11 ] 。宋 玉 等 [ 12 ] 研 究 认 为, 12Cr1MoV  进行化学成分分析。采用 X 射线衍射仪( XRD ) 对
            钢经长期高温服役后, 珠光体球化等级为 4.5 级, 碳                       试样氧化层进行物相组成分析, X 射线管的阳极靶


            化物呈链状聚集分布, 存在蠕变孔洞和沿晶裂纹, 组                          材为 Cu靶, 电压为 30kV , 电流为 2~10mA , 测试
            织劣化严重, 导致材料的综合力学性能变差。谷树                            角度为 20°~90° 。采用 X 射线光电子能谱仪( XPS )
            超等   [ 4 ] 研究电站锅炉 12Cr1MoV 钢高温过 热器爆                测试氧化层的 化 学 组 态, 并 导 出 XPS 全 谱 和 窄 谱
            管, 过热器 12Cr1MoV 钢管有明显劣 化现象, 爆管                     图。采用高分辨透射电镜( TEM ) 观察试样的微观

            背烟侧和迎烟侧显微组织和力学性能存在 明显差                             结构, TEM 的 工 作 电 压 为 200kV 。 按 照 GB / T

            异; 爆管迎烟侧组织老化严重, 珠光体球化 等级为                         11344 — 2008 《 无损检测 超声测厚》, 使用测厚仪对

            4.5 级, 其常温拉伸性能和硬度明显低于背烟侧, 炉                        试样 内 壁 的 氧 化 皮 厚 度 进 行 测 量。 按 照 GB / T



            内的长期高温烟气冲刷作用对高温过热器管迎烟侧                            228.1 — 2021 《 金属材料 拉伸试验 第 1 部分: 室温

            材料的劣化影响更明显。宋文强等                 [ 6 ] 采用热模拟试       试验方法》 对试样进行室温拉伸试验, 按照 GB / T

                                                              228.2 — 2015 《 金属材料 拉伸试验 第 2 部分: 高温


            验对 12Cr1MoV 钢进行不同工艺的正火 + 回火热

            处理, 12Cr1MoV 钢正火 + 回火后的正常显微组织                      试验方法》, 对试样进行高温( 550 ℃ ) 拉伸试验。
            为回火贝氏体 + 铁素体、 回火贝氏体 + 铁素体 + 珠                     2  试验结果与分析
            光体、 铁素体 + 珠光体, 如果回火温度过高或正火冷
                                                              2.1  氧化层表面
            却速率较慢, 会使钢中出现马氏体和碳化物沿晶界
                                                                   图 1 为试样 1~3 内壁氧化层表面的 SEM 形
            及晶内聚集长大的情况, 显著降低钢的力学性能。
                                                               貌。由图 1 可知: 试样 1~3 的内壁表面形貌相似,
                 受热面管氧化层也会对机组运行产生不 利影
                                                               均呈高低起伏的丘壑状, 因为氧化物的生成速率不
                                        氧化层导热系数小,
            响, 如: 受热面管内壁的 Fe 3O 4
                                                               一致; 氧化层均存在孔洞, 氧化颗粒尺寸较大, 直径
            影响换热效率, 为了保证蒸汽的温度, 只能提高炉膛
                                                               为 10~20 μ m 。
            的烟气温度, 从而导致管子的实际壁温升高, 寿命缩
                                                                   表1 为试样 1~3 内壁氧化层表面的化学成分
            短; 氧化层导致管子的实际承载面积变 小, 应力增
                                                               分析结果。由表 1 可知: 试样 1~3 的氧化物主要含
            大, 服役寿命缩短; 受热面管氧化层厚度达到一定尺
                                                               有 Fe 、 O 等元素, 说明氧化物主要由铁的氧化物组
            寸( 临界厚度) 时, 会发生剥落现象, 氧化层阻塞在管
                                                               成; 随着服役时间的延长, 氧化程度显著提高。
            子下弯头位置, 造成通流面积减小, 甚至完全阻塞,
                                                                   表 1  试样 1~3 内壁氧化层表面的化学成分分析结果            %
            引起管子发生超温爆管事故; 管子内壁剥落的氧化
                                                                试样                    质量分数
            层随着蒸汽进入汽轮机, 对高压、 中压汽轮 机的喷
                                                                编号      O       Si      Mn      Fe      V
            嘴、 叶片等造成固体颗粒冲蚀, 改变流通部 件的外
                                                                 1     30.62   0.23    0.37    68.29   0.49
            形, 降低汽机效率。
                                                                 2     30.71   0.18    0.32    68.50   0.29
                 笔者对 12Cr1MoV 钢的组织结构、 基材与氧化
                                                                 3     30.96   0.12    0.10    68.71   0.11
            层界面处的组织形貌、 氧化层物相组成进行分析, 研
            究了氧化层对 12Cr1MoV 钢管老化和拉伸性能的                        2.2  氧化层截面
            影响, 为机组安全运行提供技术支持。                                     图2 为试样 1~3 内壁氧化层与金属基体界面
                                                               的 SEM 形貌。由图2 可知: 试样1 基材晶界处粒状
            1  试验材料与方法
                                                               碳化物较少, 且碳化物颗粒细小, 呈弥散分布, 氧化
                 选用材料均为 12Cr1MoV 钢的 3 根管, 分别编                  层组织致密, 与基体之间未出现明显的分层; 随着服
                                                                                                         1 1
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