金相檢驗在鍋爐定期檢驗中的應用

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 郭志強 胡越峰

金相檢驗在鍋爐定期檢驗中的應用

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 郭志強 胡越峰

鍋爐部件的鋼材長期在高溫應力條件下使用，其內部組織會發生明顯的變化，隨著組織的變化，鋼材的性能也會改變。其變化程度及速度與原始材料的組織成分、使用的溫度和應力以及使用時間等因素有關。在鍋爐的使用過程中，隨著鍋爐服役期的延長，珠光體球化、石墨化、蠕變、回火脆化等導致失效的金屬組織變化都會逐漸出現。近年來，隨著鍋爐參數的不斷提高，對鍋爐質量和所用金屬材料的要求越來越高。因此，根據設備的服役年限和具體使用狀況，在定期檢驗工作中采用金相檢驗的方法確定鍋爐的材質狀況是十分必要的。金相檢驗根據有關規定和標準來評價金屬材料質量的一種常規檢驗方法，并且可以用來判斷設備零件的生產工藝是否完善，有利于尋找零件產生缺陷的原因。因此，金相檢驗是保證產品質量的重要手段。本文，筆者主要對鍋爐檢驗中的金相檢驗進行詳細總結。

一、金相檢驗原理

金相檢驗是一種無損檢驗技術，在被檢對象不破壞的前提下能夠檢驗金屬部件的微觀組織的狀態和分布情況，并且判斷設備安裝質量、金屬材料的制造質量和組織性能的變化情況，以及判斷老化部件的蠕變損傷程度。其操作是采用將預制的復型材料與金相試樣貼合的方法，取得金屬部件微觀組織形貌的復型。具體過程為先用溶劑將已經制備好的復膜軟化，使其具有一定的流動性，然后使金屬面與復膜片相連接，并加壓使復膜面材料能夠流動，使的充滿在磨面圖像的浮雕之間，然后復印出金相圖像。

二、鍋爐現場金相檢驗的應用實例

1.金相檢驗在電站鍋爐高溫再熱器管檢驗中的應用。電站鍋爐高溫再熱器管隨著設備運行時間的不斷增加，金屬材料內的金相組織會發生球化，通過對金相組織圖的觀察，可以大致計算出球化的速率，可以進一步對高溫再熱器部件進行壽命評估。例如：某發電廠鍋爐高溫再熱器管使用的材料是12Cr1MoV，入口段的工作溫度為323℃，出口段的工作溫度為540℃，再熱器管蒸汽壓力為2.65MPa，運行時間接近10萬h，在長期高溫環境下運行，金屬材料狀況必然會發生變化，作為電站鍋爐關鍵部件的高溫再熱器管的安全運行可靠程度明顯降低。因此，必須對該鍋爐高溫再加熱器管道進行金相檢驗。12Cr1MoV鋼正常的金相組織特征：晶粒內有不規則且方向明顯的片狀貝氏體組織，碳化物顆粒細小且獨立的分布在晶體內及晶界。而該電廠鍋爐的高溫再熱器管金相組織中的貝氏體位向基本已經消失，晶粒粗化且貝氏體已經分散，大部分碳化物已經分布在鐵素體晶界上，僅有少量貝氏體區域的痕跡，材質劣化現象已較為明顯。對照《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》（DL/T773-2001），該再熱器管材質可評定為4級完全球化。檢驗機構在對鍋爐高溫再加熱器管的金相檢驗基礎上，對該電廠鍋爐再熱器管工作狀況及剩余壽命進行綜合評估，以確定該鍋爐高溫再熱器部件能夠繼續使用的年限。

2.金相檢驗在鍋爐過熱器檢驗中的應用。某廠鍋爐的過熱器發生爆裂事件，其使用的材質是12Cr1MoV。通過對截取的過熱器管進行金相檢驗，金相組織顯示：材質內部的基本組織除了個別區域以外，珠光體組織已基本消失，對照《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》（DL/T773-2001），球化級別為4～5級。在鐵元素的晶界內發現不均勻的分布這細小的碳化物顆粒。晶體的內部分布有微粒析出物。由于管子表面長期處于平面的應力作用下，另外因為表面的氧化作用使管道各點的受力逐漸增加，長期運行的結果就會使一些位錯在外力作用下的晶粒向晶界內移動，使空位推向晶界，從而形成極細小的微孔洞。最終，在相對薄弱的部位發生爆裂。

3.金相檢驗在工業鍋爐檢驗中的應用。檢驗員在對某廠一臺工業鍋爐進行定期檢驗過程中，發現鍋筒底部正中有一處鼓包，鼓包部位距前管板660mm，呈橢圓形，尺寸為300mm× 600mm，高度18mm，經過宏觀檢查和表面無損檢測未發現表面裂紋，經過變形部位和鍋筒正常部位硬度值的比對，顯示硬度值無異常。根據檢驗結果，對照《鍋爐定期檢驗規則》第19條第3款“承壓部件的變形不超過下述規定時可予以保留監控，變形超過規定時一般應進行修理（復位、挖補、更換）：（1）筒體變形高度不超過原直徑的1.5%，且不大于20mm；”的規定，可以僅僅對該處缺陷進行監控而不做其他處理。但為了更加準確地判定該臺鍋爐的安全狀況，檢驗員決定在不破壞鍋筒的前提下對其進行金相檢驗。通過對鼓包起始點和最高點處復膜金相檢驗，得出了如下結論。由圖1可以看出在鼓包起始點的金相組織主要是珠光體+鐵素體，晶體內沒有明顯的碳化物生成，即球化程度較輕，參照《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》（DL/T 674-1999）可評為3級球化。圖2鍋爐鼓包最高點處的金相組織也為珠光體+鐵素體，但是珠光體里的碳化物已經擴展到晶界，并發生嚴重球化，被評為5級球化。從分析情況可以判定鍋爐鼓包處的材質已經嚴重球化，不能簡單地監控使用，更不能再繼續運行，否則鼓包處將發生開裂，導致事故發生。該處鼓包缺陷的修理也不能使用千斤頂把鼓包直接頂回原位，而必須采取挖補或更換的補救措施。

圖 1 鍋爐鼓包起始點復膜金相

圖 2 鍋爐鼓包最高點復膜金相

4.金相檢驗在鍋爐水冷壁管道爆裂檢驗中的應用。某單位使用SHL10-13A型鍋爐在運行7年以后，水冷壁管產生爆裂現象。爆裂部位在后水冷壁管左起第五根彎頭處，與爆裂管相鄰的所有管未發現脹粗等異常現象。該水冷壁管采Φ51mm×5mm的20鋼管制成。對其爆裂處進行宏觀檢驗，化學成分分析，以及金相檢驗。在爆裂破口、遠離破口、破口對應的外彎處以及備料管上截取金相試樣，金相顯微鏡下觀察，發現破口處顯微組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度按GB6394-1986《金屬平均晶粒度測定方法》評為8級，如圖3所示。破口處的顯微鏡組織經放大后，觀察到的珠光體己被球化。球狀碳化物沿鐵素體晶界聚集并且呈鏈狀分布，珠光體球化級別評為5級，如圖4所示。同時還觀察到沿晶界出現的蠕變微裂紋，特別是在晶粒結合處的蠕變微裂紋非常明顯，圖5的黑色部分就是蠕變微裂紋。從金相檢驗的結果可以得出，備料管及遠離破口處的水冷壁管顯微組織均為鐵素體+片狀珠光體，這表明備料管及遠離破口處的水冷壁管顯微組織是相同的，均為正常組織。在破口處及外彎處的顯微組織均為鐵素體+沿晶且呈鏈狀分布的球狀碳化物。結果表明，鍋爐水冷管的爆裂處顯微組織發生了變化，晶界有明顯的碳化物聚集，并且具有典型的蠕變微裂紋。這些都是長期超溫的顯微組織特征，從而判定水冷壁管道爆裂是因為長期在超溫狀態運行造成的。

圖 3 破口處顯微組織：100×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

圖 4 破口處顯微組織：500×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

圖 5 破口出的蠕變微裂紋：500×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

綜上，金相檢驗技術是保證鍋爐安全運行的一種重要檢驗手段。在鍋爐制造、安裝、運行、檢修和管理方面存在的問題，以及長期在高溫、高壓、沖蝕、腐蝕的惡劣條件下存在老化等原因，致使鍋爐產生裂紋、鼓包，從而導致鍋爐爆漏損壞，造成頻繁的停爐，其次數往往要高于其他設備。這就需要對其材質的焊接處進行現場金相檢驗分析或者實驗室內的金相組織分析，配合相關的力學性能試驗、超聲測厚、化學成分分析等手段，用科學的方法和準確的數字和圖片來分析失效的原因，表征損壞部位的失效程度，為檢驗人員提供正確的處理意見以及科學的依據。從而使鍋爐檢驗工作由宏觀檢驗進入微觀檢驗，使檢驗技術水平達到一個新的水平。