12Cr1MoV钢的生产工艺成熟，各项力学性能指标稳定，价格较低，具有良好的焊接性能、抗氧化性能和组织热稳定性，是制造高温、高压管道和受热面管等承压部件的首选材料。12Cr1MoV钢正常供货状态一般为正火+回火，正常组织为铁素体+珠光体或铁素体+贝氏体。在500~580℃的服役温度下长期运行，12Cr1MoV钢组织中的珠光体会发生球化现象，使材料逐渐劣化，甚至失效。在长期高温服役的过程中，该材料不可避免地会发生劣化，影响电站锅炉等高温承压设备的安全、可靠运行。目前，相关研究大多集中在炉管的开裂原因分析、蠕变性能研究和剩余寿命评估等方面，而对材料在长期高温服役后的组织转变，以及该转变对管道材料力学性能和剩余寿命影响的研究较少。来自浙江省特种设备科学研究院和浙江省特种设备安全检测技术研究重点实验室的陈兴阳、周阳、宋俊俊等研究人员对长期高温服役后电站主蒸汽管道的显微组织进行分析，并研究了管道的显微组织、力学性能与炉管剩余寿命的关系，为预防管道出现劣化提供理论依据。
1、 试验材料与方法
试验材料取自某公司电站主蒸汽管道的一段，该管道在定期检验过程中发现材料珠光体球化严重，现场金相检验发现材料的珠光体球化级别达到5级，该管道参数为：管径为175mm，壁厚为22mm，材料为12Cr1MoV钢，设计温度为557.75℃，设计压力为11.5MPa，服役温度为540℃，服役压力为10.5MPa，累计运行18a。对割管材料进行取样，并分别进行金相检验、力学性能测试和高温蠕变持久试验。
分别在蒸汽管道母材、焊缝附近位置取金相检验试样，取样位置如图1所示。对所取试样进行打磨、抛光后，用4%(体积分数)硝酸乙醇熔液进行腐蚀，利用光学显微镜分别观察管道外壁、中间层、内壁、焊缝区域的显微组织。在管道母材的纵向取样，用万能疲劳试验机对试样进行室温(20.1℃)和高温(540℃)拉伸试验，每组试验取2个试样。在管道母材的纵向取样，用高温蠕变持久试验机测试试样的高温蠕变持久强度，测试应力为120~220MPa，测试温度为520~580℃，温度间隔为20℃。
2、 试验结果与分析
2.1 金相检验
主蒸汽管道的显微组织形貌如图2所示，根据DLT 773—2016 《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》和GB/T 6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》，对主蒸汽管道的珠光体球化等级和晶粒度进行评级。发现该蒸汽管道已经严重球化，球化等级为5级，晶粒度等级为6.5级，显微组织为铁素体+球化体；该蒸汽管道内壁、中间层、外壁组织的球化程度、晶粒度等级均一致。
2.2 拉伸试验
室温拉伸试验结果如表1所示，可知在室温环境下，该管道母材的屈服强度为266~348MPa，抗拉强度为476~563MPa，断后伸长率为31.5%~32.5%，满足GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》的规定，但屈服强度较低且接近标准规定下限，说明球化对材料的室温力学性能有较大影响。
高温拉伸试验结果如表2所示，可知在高温环境下，管道的屈服强度为196~201MPa，抗拉强度为265~280MPa，断后伸长率为28.5%~37.0%，满足GB/T 5310—2017的规定，但屈服强度较低且接近标准规定下限，说明球化对材料的高温力学性能有较大影响，原因是球化珠光体导致材料的屈服强度降低，在热力学驱动力的作用下，球化珠光体的片层间距增大，晶粒尺寸变大，晶界总长度减小，晶界强化作用减弱；碳化物的析出导致固溶强化效果减弱，不断聚集长大的碳化物引起局部应力集中，最终导致材料的高温抗拉强度、屈服强度降低。
3、 管道剩余寿命计算
蒸汽管道直管段的内压应力(σeq)和环向应力(σθ)的计算方法分别如式(1)~(2)所示。
蒸汽管道计算应力取蒸汽管道内压应力和环向应力的最大值，因此蒸汽管道计算应力取σθ。在预测剩余寿命时，考虑到蒸汽管道运行的波动变化以及管道厚度不均匀等因素，管道的计算应力必须给定一个合适的安全系数(2.0)，因此，该蒸汽管道的计算应力为82.2MPa。
根据高温持久强度性能测试数据分析，采用L-M参数[p(σ)]方程建立寿命评估模型，计算该蒸汽管道的剩余寿命，该方法是已普遍应用且相对可靠的剩余寿命评估方法。12Cr1MoV钢的L-M参数方程如式(3)所示。
表3为不同试验应力(σ)下主蒸汽管道的断裂时间，通过试验应力-试验温度-断裂时间之间的关系得到p(σ)-σ拟合曲线(见图3)。
12Cr1MoV钢材料的高温性能比较稳定；圆点为计算应力(82.2MPa)下拟合线中对应的数据点，该点对应的p(σ)=21619.0。将p(σ)=21619.0，T =813K(蒸汽管道的工作温度)代入式(3)，可得tr=39051h，约为4.45a。
4、 结论与建议
4.1 结论
(1) 长期高温服役后，该蒸汽管道材料组织已发生严重球化，球化等级为5级，组织为铁素体+碳化物，蒸汽管道内壁、中间层、外壁组织的球化程度、晶粒度等级均一致。
(2) 该蒸汽管道室温、高温力学性能均符合标准规定，但是室温、高温屈服强度均较低，且接近标准规定下限值，原因是晶粒尺寸变大，晶界总长度减小，晶界强化作用减弱,碳化物的析出导致固溶强化效果减弱，最终导致材料的高温抗拉强度、高温屈服强度大幅降低。
(3) 在工作压力为10.5MPa(计算应力为82.2MPa)，工作温度为540℃的条件下，该蒸汽管道的剩余寿命约为4.45a。
4.2 建议
建议该蒸汽管道在4a内进行更换，在运行期间，加强日常检查工作，以避免该蒸汽管道与其他管线碰撞，产生额外应力；严格控制工作温度和工作压力，对该蒸汽管道进行蠕变状态监测、金相检验跟踪等工作。
