对电站锅炉常用金属材料金相检测及组织的研究

2020-01-09杜鹏

世界有色金属 2019年21期

杜鹏

（山西兴能发电有限责任公司，山西太原 030200）

电站锅炉长时间处于一种高温运行状态下，其部分材料的显微组织会随着时间发展而产生相应的变化，而显微组织的老化问题还会影响部件整体性能，威胁电站锅炉运行安全。

1 金相检测

金相检测是对金属材料相关力学性能和结晶规律进行科学检测的关键手段，金相组织能够把应用中金属材料状态变化准确反映出来。电厂中的金相检测主要包括实验室和现场金相实施金相检测两种形式。检测对象和检测内容包含异常组织辨识、石墨化程度、球化程度以及金相组织判定等。《锅炉检验规则》中针对锅炉各个部件以及不同应用时间条件下的金相检测要求和比例提出了基础指标。因为锅炉相关运行参数方面的差异，在定期检测锅炉时相关检验规则中所提出的部件材料也存在一定差异，通常将20G金属材料应用到运行参数较低锅炉中，而中高参数电站锅炉中则是12Cr1MoV以及15CrMo金属材料，下面对相关金相组织劣化特点实施分析。

2 20G

（1）20G常见组织。20G这种碳素结构钢是低碳钢的一种，在相关安全监察流程中提出20G因其主要作为受热面的管子，壁温最高小于等于460℃，而作为管道和集箱的壁温最高小于等于430℃。按照GB5310相关规定要求，20G钢管成品相关显微组织应该是珠光体和铁素体。铁素体主要是碳元素在α-Fe内固溶生成的物质，而珠光体则是渗碳体和铁素体之间的混合物，以片状形式出现。利用硝酸酒精溶液稍稍侵蚀20G，便能够发现其中的显微组织，利用光学显微镜观察可以发现铁素体主要是一种亮白色的月牙状、块状或多边形样式，而珠光体则是紧密的黑色层片状[1]。

针对电站锅炉实施金相检测过程中，主要是对各种焊接接头实施金相检验，包含母材、焊接热影响区间以及焊缝等部分。其中焊缝在经过两次结晶操作，即固态变相以及凝固结晶，焊缝在常温条件会产生珠光体加铁素体的显微组织，当冷却较快的条件下，还会产生贝氏体组织，这也是金相检验过程中一种常见的现象。20G经过长时间应用操作后，容易出现材质劣化，产生石墨化以及珠光体球化等问题。

（2）珠光体球化。珠光体主要是渗碳体和铁素体之间重叠交替状态下，生成的机械层状缓混合物，其片状碳化物大于表面积，球状碳化物则小于表面积，为此片状碳化物也远远比球状碳化物表面能大。层状珠光体这种物质的稳定性较差，当其是出于高温高压环境下，片状碳化物变化转化成球状的碳化物，各种小颗粒碳化物也逐渐聚集起来，形成一种大球，降低表面能，提高整体稳定性。珠光体的球化现象会对金属材料相关力学性能产生一定影响，严重的情况下，还会降低20%到30%左右的的强度为此需要加强管理。

（3）石墨化。石墨化现象主要出现在焊接接头热影响区域以及熔合线区域，频繁出现于应力大且温度高的区域。而石墨则是由原本细小点状逐渐发展成较粗的颗粒状，石墨化较为严重的条件下，还会形成一种团絮状和链状。因为石墨强度较低，还会出现脆断的问题，威胁设备安全性能和应用性能，甚至还会使设备直接报废[2]。

3 12Cr1MoV以及15CrMo

12Cr1MoV以及15CrMo是低合金耐热钢的一种，通过融入Mo元素和Cr元素能够使金属材料整体耐腐蚀性和金属强度得到有效提升，而Cr元素还可以进一步预防石墨化现象，为此12Cr1MoV以及15CrMo不会出现石墨化问题，影响材料质量。在锅炉技术监察规程中，针对15CrMo规定了其作为受热面管子时，壁温最高不能超出560℃，在充当管道和集箱时，其壁温最高不能超出550℃。12Cr1MoV充当受热面的管子时，其壁温最高不能超出580℃，而在充当管道以及集箱应用时，其壁温最高不能超出565℃，由此能够看出上述两种材料相关应用条件没有太大的差异。GB5310中提出15CrMo相关显微组织是珠光体以及铁素体，允许粒状贝氏体存在。12Cr1MoV的显微组织则是珠光体、粒状贝氏体以及铁素体的集合，允许索氏体存在。针对电站锅炉实施金相检测时，发现在12Cr1MoV相关主汽管的弯头区域存在粒状贝氏体加上铁素体组织的几率较大，在贝氏体出现后，部件整体硬度提升，通过硬度检测发现当时的里氏硬度指是567。相关焊接接头区域进行金相检测，发现其金相组织特点接近于20G，通常组织形态主要是贝氏体加上铁素体。和20G相同，12Cr1MoV以及15CrMo同样会出现珠光体球化问题，但Mo元素和Cr元素的存在能够预防出现石墨化现象。

4 P91

P91主要是应用在电厂核心蒸汽管道以及二次加热蒸汽管道当中，用于那些高温承压部件内，其在P91基础上，进一步减少碳含量，并适当增加Nb和V等合金元素，限制N含量，最终形成一种9Cr-1Mo改良型的高强度耐热马氏钢。其相关强化机理主要包括马氏体强化、固溶强化、亚结构强化、碳化物弥散、位错强化以及析出强化等。P91充当蒸汽管道以及集箱时，壁温最高不能超出600℃。

P91钢相关金相组织在正常条件下主要是回火马氏体，同时还存在回火索氏体的可能。其接头焊缝和热影响范围中的组织结构十分接近于母材。P91钢在组织出现异常条件下主要表现是马氏体板条没有明显竖位向表现，铁素体超标。

长时间处于高压高温状态下操作，P91钢也会产生老化的问题，可以通过非珠光体相关钢组织老化状态来反映P91钢老化程度，评定过程中，结合晶内析出的碳化物，聚集晶界碳化物，充分了解马氏体位向相关分布状况，可以把P91老化状态分成五级，从一到五是由未老化到严重老化的状态。如图1所示P91钢属于四级老化，显微组织下晶内碳化粒子较少，证明马氏体位向呈现严重分散状态。