對電站鍋爐常用金屬材料金相檢測及組織的研究

杜 鵬

（山西興能發(fā)電有限責任公司，山西 太原 030200）

電站鍋爐長時間處于一種高溫運行狀態(tài)下，其部分材料的顯微組織會隨著時間發(fā)展而產(chǎn)生相應的變化，而顯微組織的老化問題還會影響部件整體性能，威脅電站鍋爐運行安全。

1 金相檢測

金相檢測是對金屬材料相關力學性能和結晶規(guī)律進行科學檢測的關鍵手段，金相組織能夠把應用中金屬材料狀態(tài)變化準確反映出來。電廠中的金相檢測主要包括實驗室和現(xiàn)場金相實施金相檢測兩種形式。檢測對象和檢測內容包含異常組織辨識、石墨化程度、球化程度以及金相組織判定等。《鍋爐檢驗規(guī)則》中針對鍋爐各個部件以及不同應用時間條件下的金相檢測要求和比例提出了基礎指標。因為鍋爐相關運行參數(shù)方面的差異，在定期檢測鍋爐時相關檢驗規(guī)則中所提出的部件材料也存在一定差異，通常將20G金屬材料應用到運行參數(shù)較低鍋爐中，而中高參數(shù)電站鍋爐中則是12Cr1MoV以及15CrMo金屬材料，下面對相關金相組織劣化特點實施分析。

2 20G

（1）20G常見組織。20G這種碳素結構鋼是低碳鋼的一種，在相關安全監(jiān)察流程中提出20G因其主要作為受熱面的管子，壁溫最高小于等于460℃，而作為管道和集箱的壁溫最高小于等于430℃。按照GB5310相關規(guī)定要求，20G鋼管成品相關顯微組織應該是珠光體和鐵素體。鐵素體主要是碳元素在α-Fe內固溶生成的物質，而珠光體則是滲碳體和鐵素體之間的混合物，以片狀形式出現(xiàn)。利用硝酸酒精溶液稍稍侵蝕20G，便能夠發(fā)現(xiàn)其中的顯微組織，利用光學顯微鏡觀察可以發(fā)現(xiàn)鐵素體主要是一種亮白色的月牙狀、塊狀或多邊形樣式，而珠光體則是緊密的黑色層片狀[1]。

針對電站鍋爐實施金相檢測過程中，主要是對各種焊接接頭實施金相檢驗，包含母材、焊接熱影響區(qū)間以及焊縫等部分。其中焊縫在經(jīng)過兩次結晶操作，即固態(tài)變相以及凝固結晶，焊縫在常溫條件會產(chǎn)生珠光體加鐵素體的顯微組織，當冷卻較快的條件下，還會產(chǎn)生貝氏體組織，這也是金相檢驗過程中一種常見的現(xiàn)象。20G經(jīng)過長時間應用操作后，容易出現(xiàn)材質劣化，產(chǎn)生石墨化以及珠光體球化等問題。

（2）珠光體球化。珠光體主要是滲碳體和鐵素體之間重疊交替狀態(tài)下，生成的機械層狀緩混合物，其片狀碳化物大于表面積，球狀碳化物則小于表面積，為此片狀碳化物也遠遠比球狀碳化物表面能大。層狀珠光體這種物質的穩(wěn)定性較差，當其是出于高溫高壓環(huán)境下，片狀碳化物變化轉化成球狀的碳化物，各種小顆粒碳化物也逐漸聚集起來，形成一種大球，降低表面能，提高整體穩(wěn)定性。珠光體的球化現(xiàn)象會對金屬材料相關力學性能產(chǎn)生一定影響，嚴重的情況下，還會降低20%到30%左右的的強度為此需要加強管理。

（3）石墨化。石墨化現(xiàn)象主要出現(xiàn)在焊接接頭熱影響區(qū)域以及熔合線區(qū)域，頻繁出現(xiàn)于應力大且溫度高的區(qū)域。而石墨則是由原本細小點狀逐漸發(fā)展成較粗的顆粒狀，石墨化較為嚴重的條件下，還會形成一種團絮狀和鏈狀。因為石墨強度較低，還會出現(xiàn)脆斷的問題，威脅設備安全性能和應用性能，甚至還會使設備直接報廢[2]。

3 12Cr1MoV以及15CrMo

12Cr1MoV以及15CrMo是低合金耐熱鋼的一種，通過融入Mo元素和Cr元素能夠使金屬材料整體耐腐蝕性和金屬強度得到有效提升，而Cr元素還可以進一步預防石墨化現(xiàn)象，為此12Cr1MoV以及15CrMo不會出現(xiàn)石墨化問題，影響材料質量。在鍋爐技術監(jiān)察規(guī)程中，針對15CrMo規(guī)定了其作為受熱面管子時，壁溫最高不能超出560℃，在充當管道和集箱時，其壁溫最高不能超出550℃。12Cr1MoV充當受熱面的管子時，其壁溫最高不能超出580℃，而在充當管道以及集箱應用時，其壁溫最高不能超出565℃，由此能夠看出上述兩種材料相關應用條件沒有太大的差異。GB5310中提出15CrMo相關顯微組織是珠光體以及鐵素體，允許粒狀貝氏體存在。12Cr1MoV的顯微組織則是珠光體、粒狀貝氏體以及鐵素體的集合，允許索氏體存在。針對電站鍋爐實施金相檢測時，發(fā)現(xiàn)在12Cr1MoV相關主汽管的彎頭區(qū)域存在粒狀貝氏體加上鐵素體組織的幾率較大，在貝氏體出現(xiàn)后，部件整體硬度提升，通過硬度檢測發(fā)現(xiàn)當時的里氏硬度指是567。相關焊接接頭區(qū)域進行金相檢測，發(fā)現(xiàn)其金相組織特點接近于20G，通常組織形態(tài)主要是貝氏體加上鐵素體。和20G相同，12Cr1MoV以及15CrMo同樣會出現(xiàn)珠光體球化問題，但Mo元素和Cr元素的存在能夠預防出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。

4 P91

P91主要是應用在電廠核心蒸汽管道以及二次加熱蒸汽管道當中，用于那些高溫承壓部件內，其在P91基礎上，進一步減少碳含量，并適當增加Nb和V等合金元素，限制N含量，最終形成一種9Cr-1Mo改良型的高強度耐熱馬氏鋼。其相關強化機理主要包括馬氏體強化、固溶強化、亞結構強化、碳化物彌散、位錯強化以及析出強化等。P91充當蒸汽管道以及集箱時，壁溫最高不能超出600℃。

P91鋼相關金相組織在正常條件下主要是回火馬氏體，同時還存在回火索氏體的可能。其接頭焊縫和熱影響范圍中的組織結構十分接近于母材。P91鋼在組織出現(xiàn)異常條件下主要表現(xiàn)是馬氏體板條沒有明顯豎位向表現(xiàn)，鐵素體超標。

長時間處于高壓高溫狀態(tài)下操作，P91鋼也會產(chǎn)生老化的問題，可以通過非珠光體相關鋼組織老化狀態(tài)來反映P91鋼老化程度，評定過程中，結合晶內析出的碳化物，聚集晶界碳化物，充分了解馬氏體位向相關分布狀況，可以把P91老化狀態(tài)分成五級，從一到五是由未老化到嚴重老化的狀態(tài)。如圖1所示P91鋼屬于四級老化，顯微組織下晶內碳化粒子較少，證明馬氏體位向呈現(xiàn)嚴重分散狀態(tài)。

圖1 4級P91鋼老化顯微組織

5 結語

綜上所述，電站鍋爐是一種能源轉化裝置，其運行穩(wěn)定性和安全性對于電站發(fā)展具有重要影響。金相檢測是對電站鍋爐進行檢測的有效方法，可以監(jiān)督電站鍋爐金屬狀態(tài)，準確檢測金屬材料內部組織，幫助掌握鍋爐金屬材料應用狀態(tài)。