电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究研究论文电子版下载

电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究研究论文电子版下电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究研究论文电子版下 载载 电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究潘金平 潘柏定 程宏辉 祝新伟 王董平 1 嘉兴市特种设备检测院 浙 江嘉兴314051 2 扬州大学机械工程学院 江苏扬州225127 摘要 通过采用高温加速时效的方法模拟3种电站锅炉炉管常用材料组织球 化的演变过程 并测试不同球化程度下的布氏硬度 基于Matlab软件分别模拟建立3种材料的硬度与组织球化之间的关系 模型 为电站锅炉炉管寿命评估提供一种新的思路 关键词高温时效 电站锅炉 炉管 球化 硬度TH140 2 TK229 92A1001 4837 xx 04 0012 06doi10 3969 j issn 1001 4837 xx 04 003Study onCorrelation betweenHardness andSpheroidization ofFurnace Tubefor PowerStation BoilerPAN Jin ping PAN Bai cling CHENG Hong hui ZHU Xin wei W ANGDong Ping 1 Jiaxing SpecialEquipment InspectionInstitute Jiaxing314051 China 2 College ofMechanical Engi neering Yangzhou University Yangzhou225127 China AbstractThe spheroidizingevolution processof threefur nacetube materialsfor dif ferent power station boilerswas simulatedby high temperature aeleratedaging Brinell hardnessof themater ials withdi fer ent degreesof spheroidizationwas measured The relationshipbetween thehardness andt hesphemidiza tion ofthe threedifferentmaterials wasestablished based onMatla b and a new approachf orlife evalua tion ofthe fumacetube ofpower stationboiler wasprovided Key wordshightemperatureaging powerstationboiler fumaee tube sphemidization hardness0引言20G 15CrMoG和12CrlMoVG 是电站锅炉炉管常用的3种材料 在长期高温使用过程中 其组织中 的珠光体 贝氏体 会发生球化现象 即珠光体的渗碳体 碳化物 形 态由最初的层片状逐渐转变成球状 材料的力学性能也随之下降 球化现象实质是一个扩散过程 同时也是材质老化过基金项目浙江 省质量技术监督局资助项目 xx0229 程 6 常温下 由于原子的扩散速度非常缓慢 即使钢材使用很长时间 也不易观察到这种转变过程 随着温度的提高 原子扩散速度加快 球化过程就变得明显 珠光体 贝氏体 球化后强度降低的原因是球状碳化物对位错运动的 阻力小于片状碳化物 因此 长期以来锅炉炉管用钢组织中珠光体 贝氏体 球化程度常被 广泛用于判定该类钢使用可靠性的重要判据之一 8 9 伴随着不同球化等级 20G 15CrMoG和12CrlMoVG第29卷第4期压力 容器总第233期钢无论是微观组织还是宏观力学性能都存在明显的变 化 因此掌握材料本身时效老化过程各性能参数衰减的特征规律 对锅 炉系统的可靠设计 电站寿命及安全评估等具有非常重要意义 相关研究中虽有涉及20G 15CrMoG和12CrlMoVG材料组织球化与硬度 关系研究 但局限于研究显微硬度与显微组织球化关系 并利用已 有的经验公式来表征材料的抗拉强度 未见有布氏硬度与组织球化 关系系统性研究报道 另外 化学成分与硬度也有重要的关系 也 未见相关报道 文中针对20G 15CrMoG和12CrlMoVG以上特性 采用高温时效模拟的 方法 并利用Matlab回归分析建立这3种材料的布氏硬度与组织球化 之间的关系模型 为现场硬度与球化关系研究建立对比数据 并为 电站锅炉炉管寿命预测提供一种新的思路 1试验方法与结果1 1高温时效模拟试验用20G 15CrMoG和12CrlMoV G样品均取自未使用管材 该3种管材均经过正火处理 试样尺寸分 别为038mm 4mm 042mm 4mm和 42mm 4mm 用ARIA460光谱仪测试管材成分分别如表1 3所示 表120G原材料化学成分分析结果 元素C MnSi S P GB531O 20o80 17 0 24O 35 0 65O 17 O 37 0 030 0 030ARL 4460实测值0 1810 4460 2460 O110 016表215CrMoG原材料化 学成分分析结果 元素C MnSi CrMO SP GB5310 20o80 12 O 180 40 0 700 17 0 370 80 1 100 40 0 55 0 030 0 030AR L4460实测值0 1470 4520 2650 8710 4660 012O 021表312C rl MoVG原材料化学成分分析结果 元素C MnSi CrMo VSPGB5310 2o080 O8 O 150 40 0 700 17 O 370 90 1 2O0 250 35O 150 35 0 030 0 030ARL4460实测值0 1060 4510 2 551 1o70 2860 1870 0120 021为了研究不同球化程度与对应 的布氏硬度之间的关系 对20G采用高温时效模拟的工艺方法如下在 珠光体球化2 3级时采用600 作为时效处理温度 并每1h取样做相关测试 在珠 光体球化4 5级时采用650 作为时效处理温度 并每2h取样做相关 测试 对15CrMoG采用高温时效模拟的工艺方法在15CrMoG的以下取720 作 为时效温度 并每保温2h取样做相关测试 对12CrlMoVG采用高温时效模拟的工艺方法在12CrlMoVG的A点以下取 720oC作为时效温度 并每保温2h取样做相关测试 3种材料的管材均放置在真空电阻炉中进行高温时效处理 可以有效 防止时效过程中氧化脱碳 冷却方式为随炉冷却 1 2金相组织检验将不同保温时间的高温时效处理之后的试样采用 线切割的方式切割成小块样品 进行镶嵌 研磨 抛光 并用4 的 硝酸酒精溶液侵蚀 然后用奥林巴斯GX51光学显微镜及日立 3400扫 描电子显微镜进行金相组织观察 20G 15CrMoG和12CrlMoVG显微组织照片分别如图1 3所示 20G珠光体球化程度评级按照DL T674 1999执行 15CrMoG珠光体球化程度评级按照DL T787 xx执行 12CrlMoVG珠光体 贝氏体 球化程度评级按照DL T773 xx执行 1 3硬度测试使用HB一3000布氏硬度计对1 2节中的金相试样进行 硬度测试 在不同球化等级的20G 15CrMoG和12Crl MoVG炉管表面分别测试25个布氏硬度数据并取平均值 结果分别见 表4 6 13 CP 电站锅炉炉管材料球化与硬度关系研究Vo129 No420l 2球化等级时效处理布氏硬度y 一0 7833x 8 25x一30 97x 162 3 5SE12 69 R square0 9879 131 789 1 5级 124 226 2 5级 121 414 3 5级 118 651 4 5级 图4不同球化等级下的20G钢的硬度值1 1 522 533 544 55球化等级时效处理布氏硬度y 950 4exp 一4 215x 148 5 exp 一0 04432x SSE12 69 R square0 9879 140 643 1 5级 132 939 2 5级 127 152 3 5级 121 639 4 5级 图5不同球化等级下的15CrMoG钢的硬 度值图3 a 中珠光体 贝氏体 区域明显 珠光体 贝氏体 中的碳化 物并不全部为片层状 有灰色块状区域存在 属未球化状态 评为1 级 图3 b 中聚集形态的珠光体 贝氏体 区域已开始分散 其组成 仍然较为致密 珠光体 贝氏体 保持原有的区域形态 属轻度球化 评为2级 图3 c 中珠光体 贝氏体 区域内的碳化物已显著分散 碳化物已全部成小球状 但仍保持原有的区域形态 属中度球化 评为3级 图3 d 中大部分碳化物已分散在铁素体晶界上 仅有少量 的珠光体 贝氏体 区域的痕迹 属完全球化 评为4级 图3 e 中珠 光体 贝氏体 区域形态已完全消 l6 失 碳化物粒子在铁素体晶 界上分布 出现双晶现象 属严重球化 评为5级 图3与图1 2的组织演变规律不完全一致 球化等级时效处理布氏硬度 1 448e 15exp 一32 04x 173 3 exp 0 05348x SSE9 598 R square0 9947 159 901 1 5级 151 574 2 5级 143 681 3 5级 136 199 4 5级 图6不同球化等级下的12CrlMoVG钢的 硬度值从图1 3可知 随着保温时间的延长 组织球化程度不断加深 而这种组织 球化程度不断加深和保温时间的关系也反映出一种球化减速的过程 即在某一保温温度下 从球化1级到球化2级所需时间略短 从球 化2级到球化3级所需时间为前者的数倍 从球化3级到球化4级所需 时间在前者的基础上再延长数倍 而从球化4级到球化5级所需时间 更加延长数倍 时效处理试验证实了组织球化从开始的倾向性球化到完全球化是一 种球化速率减慢的过程 刚开始速度较后面为快 随着球化程度加 深 球化速率变得缓慢 等级之间的使用时间在加长 也表明了每 级之间的使用寿命在增加 2 220G 15CrMoG和12CrlMoVG材料球化与硬度关系分析从表4 6可知 随着球化程度的加深 布氏硬度值趋于减小 如未球化的20G炉管布氏硬度值为139 1HB 但是到球化2级时 布 氏硬度值下降到126HB 下降幅度达9 4 为1 5级的球化过程中 布氏硬度下降幅度最大 而2级到3级的布氏硬度下降幅度只有1 4 为整个球化过程中布氏硬度下降幅度最小 15CrMoG和12Crl MoVG材料有类似于20G材料的这种规律 实践证明 金属材料的硬度值与强度值之间具有第29卷第4期压力容 器总第233期近似的相应关系 因为硬度值是由起始塑性变形抗力和 继续塑性变形抗力决定的 材料的强度越高 塑性变形抗力越高 硬度值也就越高 因此可以由布氏硬度值来表征材料的强度值 也 即体现材料的力学性能状况 如表4的数据可以间接表明 由未球化的原始态球化到2级 20G炉管 的强度下降幅度最大 而球化2级到3级时 20G炉管的强度下降不明 显 仅为1 4 硬度和球化之间可以通过回归分析建立相应的数值模型 基于Matlab可以建立时效处理布氏硬度与球化之间的关系式 通过 这个关系式可以计算任意布氏硬度值下相应的球化等级 图4 6就是Matlab建立的布氏硬度和球化等级之间关系图 通过这 些图可以找出任意布氏硬度和球化等级之间的对应关系 3结论 1 时效处理过程中 随着保温时间的延长 20G 15CrMoG和12Crl MoVG材料组织球化程度不断加深 而保温时间和球化程度之间的关 系也反应出组织球化的速率一直在缓慢减速 而不是加速过程 这 种减速过程表明球化等级之间的使用时间在加长 也表明了每级之 间的使用寿命在增加 2 基于Matlab数值回归分析 分别建立20G 15CrMoG和12CrlMoVG三种材料的布氏硬度与球化等级之间的关系式 关系式分别为Y 一0 7833x 8 25x一30 97x 162 3 950 4 exp 一4 215x 148 5exp 一0 04432x Y 1 448e 15exp 一32 04x 173 3 exp 一0 05348x 基于关系式 可以简单有效地计算炉管的组织球化级别 参考文献 2 3 徐鹏 艾志斌 20钢珠光体球化对材质损伤程度的 试验研究 J 压力容器 xx 20 12 12 14 杨瑞成 傅公维 王凯旋 15CrMo耐热钢Larson Miller参数值的确定与应用 J 兰州理工大学学报 xx 3o 3 27 30 赵宪萍 孙坚荣 15CrMo合金钢常温态和热态时冲蚀磨损性能 的试验研究 J 上海电力学院学报 xx 22 1 1 4 4 DL T787 xx 火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准 S 5 董雷云 刘长军 12CrlMoV钢主蒸汽管道剩余寿命评估 J 化工设备与管道 xx 40 3 28 29 6 周顺深 火电厂高温部件剩余寿命评估 M 北京中国电力 出版社 xx 7 李邓明 孙合辉 张国福 由20号锅炉钢的球化程 度估算焦炭塔寿命 J 炼油技术与工程 xx 36 7 35 37 8 朱敏 任恒昌 12CrlMoV钢主蒸汽管道寿命评估 J 化工 设备与管道 xx 39 1 51 55 9 程宝俊 12CrlMo过热器管寿命评估 J 热力发电 1993 5 54 56 10 姜勇 巩建鸣 叶有俊 等 12CrlMoV过热器管劣化行为 研究 J 压力容器 xx 28 2 11 15 11 Huang D Sun BH Approximate Solutionon SmartComposite Beamsby UsingMATLAB J Composite Structures xx 54 2 3 197 205 12 Gupta R Bera JN Mitra M Development of an Em bedded Systemand MATLAB based GUIfor OnlineAcquisition and Analysisof ECGSigna l J Mea sure ment xx 43 9 1119 1126 13 Swanson TE Cardena sM B Ex StreamA MAT LAB Pr ogram for Calculating FluidFlux through Sedi ment water InterfacesBased o