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12Cr1MoVG钢在高温条件下的组织变化研究
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。
标签:12Cr1MoVG;贝氏体;球化;电站锅炉
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/molk,·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
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