12Cr1MoVG钢在高温条件下的组织变化研究
摘 要：对电站锅炉中使用不同时间的12Cr1MoVG钢进行金相分析，发现12Cr1MoVG的贝氏体球化速率随温度而变化。温度越高，贝氏体球化速率越快，迎火面的温度较背火面高，贝氏体球化速率也快。当温度一定的时候，电站锅炉中12Cr1MoVG的贝氏体球化速率并不是恒定值，发生球化的时间越长，其速率越慢。球化过程中α-Fe的溶质原子减少导致球化速率减缓，同时降低材料物理性能。
关键词：12Cr1MoVG；贝氏体；球化；电站锅炉
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.042
1 引言
12Cr1MoVG是耐热合金钢，其小径管在实际使用中具有生产工艺成熟，焊接性能好，经济成本低等特点[1]，且在高温下具有良好的屈服强度，较低的热脆倾向等性能，因而广泛的应用于电站锅炉的水冷壁管、低温过热器管、低温再热器管、屏式过热器管等受热面系统。
由于12Cr1MoVG钢在电站锅炉中使用环境恶劣。处于长期的高温条件下，12Cr1MoVG钢会随着使用时间的增长而出现高温疲劳、电化学腐蚀、汽水物理冲蚀等现状。在较差的煤质和水质影响下，12Cr1MoVG小径管经常会发生爆管事故[2]。由于低过、低再管等处于锅炉内部，严重的爆管事故维修要求整台锅炉机组停运检修，因此带来的经济损失巨大，且影响锅炉的运行安全及使用寿命。
由于锅炉运行状态下，燃烧的煤质和作为介质的水质可以通过化学方法分析并监控，可有效控制其有害元素的量，减轻对锅炉管子的腐蚀现象，且受热面管外部凝结的结焦在一定程度上减轻了管子外壁的侵蚀、冲蚀现象。而高温对管子的不良影响却无任何有效的监控及寿命预估方法，因此研究12Cr1MoVG钢在高温条件下的组织变化对评估使用状态及寿命评价是十分有益的；对锅炉合理的计划停机检修检验具有一定的指导意义。
2 试验材料和方法
本文分析对象为某电厂额定蒸汽压力为26Mpa的亚临界电站锅炉，分析试样为该电站锅炉高温再热器管，在600℃下分别运行了20000h和28000h，通过割管取样制备金相试样，依次编号为试样1和试样2，迎火面和背火面分别编号为a和b，金相显微镜型号为倒置式4XC。
3 结果与讨论
图1为运行不同时间的12Cr1MoVG钢金相图（400X），从图中可以看12Cr1MoVG钢是由贝氏体和铁素体组成，这是因为钢中的Cr、Mo元素的存在会导致珠光体共析温度下降，在冷却的过程中延迟了珠光体转变过程，当温度降到马氏体转变温度和珠光体转变温度之间时，奥氏体转变为贝氏体。
未球化的组织，贝氏体区域形态清晰，贝氏体中的渗碳体呈结构紧密的颗粒状分布在铁素体中[3]。从图1中可以发现，随着高温运行时间的增加，贝氏体被打碎，原本清晰的晶界变得模糊，黑色颗粒物开始球化。这是由于长期高温的环境下，贝氏体晶粒中的原子活动能力增加，在浓度梯度的作用下，原子发生迁移。高温持续时间越长，原子迁移数量越多。由于碳在α-Fe中的溶解度非常低，而贝氏体中的铁素体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，因此浓度梯度作用下的大量的原子迁移导致α-Fe的过饱和固溶体中的碳元素开始析出。由于球形的表面能最低，随着高温时间的增加，碳元素逐渐析出并球化和聚集，最终在晶界处形成链状或条状的碳化物。析出的碳化物类型按照M3C→M7C3→M23C6顺序转变[2]，这意味着过饱和固溶体中合金元素和碳元素同时析出，并在晶界处聚集。这使得固溶体中溶质原子数量也在下降，导致温度不变得时候，α-Fe的溶解度也不变，随着时间的增加，饱和度下降而析出原子的数量也越来越慢，即球化的速度减缓。
从图中可以看出，迎火面金相组织中的球化较背火面金相组织严重。这是由于温度越高，原子活性越大，能量越高，越容易克服原子间相互作用力而迁移，不同元素的原子扩散速度越快。最终导致碳原子扩散的数量更多，球化也较严重。
在贝氏体球化过程中，球化速率随温度变化的关系符合阿伦尼乌斯公式。阿伦尼乌斯经验公式：lnk=lnA—Ea/RT。式中：K为速率常数，R为气体常数：8.314J/mol·k，T为热力学温度，Ea为活化能，A为之前因子。对于同种反应，反应速率与温度成正相关，即温度越高，反应速率越快，因此管子迎火侧比背火侧球化速度快。
4 结论
电站锅炉中12Cr1MoVG的贝氏体球化速率与温度成正相关，迎火面的贝氏体球化速率较背火面快。当温度一定的时候，电站锅炉中12Cr1MoVG的贝氏体球化速率随时间的增加而慢慢降低。球化过程中α-Fe的溶质原子减少导致球化速率减缓，同时降低材料物理性能。
参考文献：
[1]張红旗. 基于图像处理技术的12Cr1MoV钢金相组织分析研究[D].内蒙古农业大学，2013.
[2]杨峰，于庆波.12Cr1MoV钢高温运行过程中组织和性能的研究[J].热加工工艺，2009，38（20）：28-30.
[3]孙树文，雷廷权，唐之秀等.12Cr1MoV钢大口径高压锅炉钢管冲击韧性的质量控制[J].钢铁，2004，Vol.32（12）：41-45.
作者简介：杨涛（1990-），男，回族，宁夏银川人，研究生，工程师，主要从事承压类特种设备的检验检测、金属监督及理化检验。
