循环流化床机组管道高温运行后的性能分析

孙贺斌，周治伊，杨佩旭，钱亚勇，吕岩婷

(1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

循环流化床锅炉采用了高效、节能、低污染的燃煤新技术，其燃料适应性广、燃烧效率高、NOx排放低、结构简单、操作方便等诸多优点受到广泛关注。12Cr1MoV钢是一种珠光体耐热钢，广泛应用于汽轮机、锅炉等动力工程中，特别是用于蒸汽涡轮和火力发电厂的锅炉。

钢在高温、高压及腐蚀性的环境中长期使用，要求具有较高的持久强度和持久塑性，良好的抗氧化性能，且无热脆倾向。了解12Cr1MoV运行后的组织和性能变化，积累相关材料运行数据，对于保障电厂安全生产有重要意义。

以1台过热蒸汽出口压力为13.73 MPa、过热器出口温度为540 ℃的循环流化床锅炉为例，对其运行70 000 h后的12Cr1MoV材质主蒸汽管段进行性能试验研究。

1 试验材料与方法

试验材料选择12Cr1MoV材质的主蒸汽直管段和弯头，规格为φ377 mm×36 mm；通过尺寸测量、化学成分、室温拉伸、550 ℃拉伸、室温冲击、硬度、金相、脱碳和形貌分析、X射线衍射等试验，寻找12Cr1MoV运行70 000 h后组织和性能的变化规律。

2 试验分析

2.1 尺寸测量

采用DM5E型超声波测厚仪分别对取样管直管段和弯头进行3次厚度测量，其中弯管测量值均在38.0 mm左右，直管段测量值均在35.0 mm左右，减薄量在公称壁厚36 mm的2 %左右。故管壁厚度未见明显减薄现象，厚度基本均匀。厚度测量分析结果如图1所示。

图1 厚度测量结果分析

2.2 化学成分

采用ARL4460型大型直读光谱仪对取样管直管段及弯头进行材质成份分析，横截面材质成份中各元素含量满足GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》对12Cr1MoV材质的要求，具体分析结果见表1。

表1 12Cr1MoV钢的化学成分质量分数 %

2.3 力学性能

对12Cr1MoV取样管进行室温拉伸试验，试验结果见表2。

表2 12Cr1MoV室温拉伸试验结果

由表2可知，所取主蒸汽管样室温环境下各项力学性能试验结果均满足GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》的标准要求。

为进一步了解主蒸汽管在运行温度下的力学性能，按该标准要求将此管样在550 ℃环境下进行了3组拉伸试验，结果显示所取主蒸汽管样的抗拉强度分别达到了353 MPa，361 MPa， 368 MPa，均符合该标准中550 ℃环境该材质不小于187 MPa的要求。

因受检管样尺寸限制，仅对直管段侧母材按照GB/T 5310—2017《高压锅炉用无缝钢管》标准要求进行纵向试样室温夏比V型缺口冲击试验，加工规格为55 mm×10 mm×5 mm，12Cr1MoV管运行后的室温冲击吸收能量符合不小于40(KV2)/J(纵向)的标准要求。

采用台式布氏硬度计对取样管段进行布氏硬度检测，硬度检测部位为取样管横截面和外表面。试验选用直径2.5 mm硬质合金钢球，施加1.839 kN试验力，保载时间15 s，实测硬度采取HBW2.5/187.5，具体硬度检测结果见表3。

表3 布氏硬度检测结果 HB

依据DL/T 438—2016《火力发电厂金属技术监督规程》对于12Cr1MoV钢管材135～195 HB的硬度要求，受检管样硬度均符合标准要求，但外表面硬度值均低于横截面硬度值，直管段表面硬度降低相对明显，趋于标准下限。

2.4 组织性能

截取主蒸汽管样横截面镶嵌金相试样，采取4 %硝酸酒精溶液侵蚀，在MA200台式显微镜下分别采用不同倍数进行微观组织分析。

从直管管样的横截面和外表面观察，基体组织呈贝氏体+碳化物形态，贝氏体由晶界向晶内平行生长的扁平状的α-Fe铁素体，并在其间夹着断续的点状和短棒状碳化物组成的复相组织，表面碳化物呈分散分布的较大颗粒，贝氏体位向不明显，金相组织不良，不排除轧制工艺、热处理工艺中参数控制不当对取样位置管材表面金相组织的影响。

从弯头内、外壁横截面观察，基体组织呈铁素体+珠光体形态，珠光体区域已开始分散，仍保留原有的区域形态，部分碳化物呈条状、点状，试样内壁组织与外壁组织基本一致，依据DL/T 884—2019《火电厂金相检验与评定技术导则》中珠光体组织球化进行评定，为球化2级。

2.5 脱碳层测量

从脱碳形貌观察，主蒸汽外表面存在0.12～0.14 mm脱碳层。在靠近表面约0.36 mm范围内的组织形貌与内部基体组织存在明显差异，近表面层碳化物呈大颗粒状集中分布，且碳化物颗粒尺寸由外表面向内部逐渐呈减小趋势，表层下约0.4 mm以外范围内组织基本均匀，由此可见主蒸汽管道外表层金相组织不良。

2.6 X射线衍射分析

对主蒸汽管直管取样进行X射线衍射分析，以2θ的角度扫描整个衍射区域，作为角度变化，作为X射线衍射谱的横坐标；以衍射强度作为纵坐标。根据衍射图谱分析，其结构以Fe2O3相为主，少量SiO2相。

3 结论

(1) 12Cr1MoV运行70 000 h后硬度试验、室温拉伸试验、高温拉伸试验、室温冲击试验及材质成份分析结果均满足要求。

(2) 12Cr1MoV运行70 000 h后直管段金相组织为贝氏体+碳化物，外表面碳化物呈分散分布的较大颗粒，贝氏体位向不明显，金相组织不良，不排除轧制工艺、热处理工艺中参数控制不当对取样位置管材表面金相组织的影响。

(3) 12Cr1MoV运行70 000 h后直管段、弯头侧外表面硬度值均低于横截面硬度值，直管段表面硬度降低相对明显，趋于标准下限；外表面的碳化物分布层和脱碳层是导致外表面硬度低于芯部硬度的主要因素之一。

(4) 截至本次割管，主蒸汽管样已累计运行约7.85万h，室温及高温(550 ℃)力学性能结果均满足标准要求，在正常运行工况下可继续服役。