长期运行后12Cr2Mo钢焊接接头组织性能研究

2013-07-11黄芬

湖南电力 2013年2期

黄芬

(中材集团科技开发有限公司，北京100831)

1 试验材料及方法

试样取自某电厂2 号锅炉末级过热器。该锅炉型号为IHI－FWSR，亚临界，中间一次再热自然循环汽包锅炉，蒸发量1 070 t/h，主蒸汽温度538℃，压力16.6 MPa。末级过热器管规格Φ45 mm×8.5 mm，末级过热器出口蒸汽温度541 ℃，压力17.1 MPa。焊接接头材料为12Cr2Mo 钢，至2012年3月累计运行约12 万h。

末级过热器管材的化学成分通过ARC－MET930型定量光谱分析仪及AW2000E 型高速红外碳硫分析仪进行检测。金相试样取末级过热器管材焊接接头的截面，经过预磨、机械抛光、4%硝酸酒精溶液侵蚀后，在蔡司(Axio Oberver Alm)显微镜上进行金相观察。硬度试验在MH－6 型维氏硬度计进行，拉伸试验在UTM5105 型万能材料试验机上进行，其拉伸速率为2 mm/min。焊接接头的显微组织分析在Sirion200 型扫描电镜上进行。

2 实验结果

2.1 成分分析

12Cr2Mo 合金中的Fe 是基体元素，Cr 和Mo为主要合金元素，Cr 固溶于钢中以显著提高钢的淬透性，Mo 固溶于钢中以消除回火脆性，并提高钢的淬透性，同时Cr，Mo 是碳化物形成元素，共同降低钢中碳活度，稳定碳化物，细化晶粒〔2〕。末级过热器的合金成分如表1 所示，各化学元素含量符合文献〔3〕标准要求。

表1 末级过热器管的元素含量分析 %

2.2 金相组织

长期高温运行后焊接接头的金相组织形貌如图1－4 所示。12Cr2Mo 母材离热影响区5 mm 处金相组织为铁素体+珠光体+碳化物，珠光体球化3.5级，母材中残余珠光体量比较少且变粗大，在晶界和晶内析出大量的碳化物，碳化物在晶界上形成链状或网状组织，如图1 所示。热影响区与母材组织仍然有明显的界线，热影响区的组织比母材组织细小，热影响区的金相组织为回火贝氏体+碳化物，贝氏体已4 级老化，在晶界和晶内析出大量的碳化物，碳化物在晶界上呈链状分布，如图2、图3 所示。焊接接头的熔合线已经不可见，焊缝的金相组织为粗大的回火马氏体，在晶界和晶内析出大量的碳化物，晶内的部分碳化物已长大到约2 μm，如图4 所示。

图1 离热影响区5 mm 处母材金相组织

图2 热影响区边界金相组织(100×)

图3 热影响区金相组织(500×)

图4 焊缝区金相组织

2.3 硬度试验

硬度试验按照文献〔4〕进行，试验结果如图5 所示。焊缝两侧母材区的硬度均匀，平均为150HV，没有硬度值大幅变化的区域;从母材区到焊缝区的热影响区内硬度快速增大，左侧5 mm 内硬度从150 HV 升高到230 HV，右侧7 mm 内硬度从230 HV 降到150 HV，焊缝两侧热影响区的宽度不一致。焊缝区的硬度值达到最高点，整体硬度均匀，平均值为230 HV。

图5 焊接接头硬度分布

2.4 拉伸试验

拉伸试验按照文献〔5〕进行，其抗拉强度平均值为448 MPa，试样断裂位置均在热影响区。12Cr2Mo 合金的标准抗拉强度值为450～600 MPa〔3〕，焊接接头拉伸性能满足文献〔6〕规程要求，规程要求焊接接头强度不低于母材规定最小抗拉强度的95%。

2.5 显微分析

图6 为离热影响区约5 mm 处母材的组织，晶内部分区域含有残余的片层状渗碳体，尺寸在10 μm 量级，晶内同时弥散分布大量细小的球状渗碳体。晶界处渗碳体已经球化，并聚集长大，形成链状或网状碳化物。图7 和表2 为母材区晶界析出物能谱及合金元素定量分析，结果表明晶界析出物为含Cr 和Mo 的渗碳体。图8 为热影响区的显微组织，碳化物在晶界析出并聚集长大，晶内只有少量球状渗碳体。图9 为焊缝区的显微组织，碳化物在板条状组织的边界聚集长大，板条状组织内部几乎无析出的碳化物。

表2 母材晶界析出物的合金元素定量分析 %

图6 离热影响区约5 mm 处母材SEM 照片

图7 母材晶界析出物能谱

图8 热影响区SEM 照片

图9 焊缝区SEM 照片

3 分析与讨论

12Cr2Mo 钢属于珠光体耐热钢，正常金相组织为铁素体+珠光体，珠光体组织中的渗碳体是片层状的。同样体积下片状渗碳体比球状渗碳体具有更大的表面积，因此片状渗碳体的表面能高。热力学基本理论表明，能量高的状态总有向能量低的状态转变的趋势，所以片状渗碳体总有自发趋向于球状的趋势。当材质在高温高压(高应力)长期运行时，原子的能量变高，扩散速度加快，片状渗碳体就变得不稳定，会逐渐地球化且进一步聚集长大以过渡到能量状态更低的球形稳定状态。末级过热器12Cr2Mo 钢管在高温高压下运行约12 万h 后，母材区的珠光体球化达到3.5 级，含Cr 和Mo 的渗碳体球化并在晶界聚集长大，整个母材区的组织变化一致，硬度均匀。

热影响区的组织为晶粒更细小的回火贝氏体，靠近焊缝区的母材在焊接时，温度升高达到AC3线以上，在随后的冷却及热处理过程中组织转变为回火贝氏体，长期高温高压运行后，贝氏体发生4级老化，碳化物在晶界析出并聚集长大，晶内只有少量球状渗碳体。越靠近焊缝区的热影响区焊接时温升越大，在冷却时会部分转变为马氏体，所以热影响区的硬度变化较大，从母材向焊缝区硬度快速增大。

焊缝区为熔融合金凝固区，组织为粗大的回火马氏体，长期高温高压运行后，碳化物在板条状组织的边界聚集长大，板条状组织内部几乎无析出的碳化物。

该锅炉末级过热器用12Cr2Mo 钢焊接接头经约12 万h 高温高压运行后，组织发生球化(老化)，但未达到须换管的5 级球化(老化)〔7〕，焊接接头组织中未发现蠕变空洞、裂纹等影响安全运行缺陷，其力学性能在标准范围内，因此该锅炉末级过热器用12Cr2Mo 钢焊接接头可继续服役。