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(zé)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(yīng)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(guān)力學(xué)性能和結(jié)晶規(guī)律進行科學(xué)檢測的關(guān)鍵手段，金相組織能夠把應(yīng)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(nèi)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?！跺仩t檢驗規(guī)則》中針對鍋爐各個部件以及不同應(yīng)用時間條件下的金相檢測要求和比例提出了基礎(chǔ)指標。因為鍋爐相關(guān)運行參數(shù)方面的差異，在定期檢測鍋爐時相關(guān)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(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)鋼是低碳鋼的一種，在相關(guān)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(guān)規(guī)定要求，20G鋼管成品相關(guān)顯微組織應(yīng)該是珠光體和鐵素體。鐵素體主要是碳元素在α-Fe內(nèi)固溶生成的物質(zhì)，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(xué)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(jié)晶操作，即固態(tài)變相以及凝固結(jié)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(yīng)用操作后，容易出現(xiàn)材質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)力學(xué)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(yīng)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(shè)備安全性能和應(yīng)用性能，甚至還會使設(shè)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(yù)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(zhì)量。在鍋爐技術(shù)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(yīng)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(guān)應(yīng)用條件沒有太大的差異。GB5310中提出15CrMo相關(guān)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(guān)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(guān)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(yù)防出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象。

4 P91

P91主要是應(yīng)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(nèi)，其在P91基礎(chǔ)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(guān)強化機理主要包括馬氏體強化、固溶強化、亞結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)鋼組織老化狀態(tài)來反映P91鋼老化程度，評定過程中，結(jié)合晶內(nèi)析出的碳化物，聚集晶界碳化物，充分了解馬氏體位向相關(guān)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(nèi)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(jié)語

綜上所述，電站鍋爐是一種能源轉(zhuǎn)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(nèi)部組織，幫助掌握鍋爐金屬材料應(yīng)用狀態(tài)。