电站锅炉常用金属材料金相检测研究

庞世刚

（内蒙古自治区特种设备检验研究院包头分院，内蒙古 包头 014030）

电力是国民经济发展的命脉，火力发电对国民经济发展具有重要的促进作用，随着电力需求的加快增长，火力发电机组向大容量超临界燃煤机组发展。发电设备技术安全性要求更高，电站锅炉安全可靠运行对经济发展产生重要的影响。锅炉长期运行中承压部件出现损伤，参数波动大的锅炉损伤严重。电站锅炉部件在高温下长期运行，部件材料显微组织随着时间会产生劣化导致力学性能降低，部件材料强度等性能逐渐降低对锅炉安全运行带来隐患。电站锅炉金属部件常见显微组织劣化特征包括石墨化、珠光体球化等，金相检测是研究金属材料显微组织是否产生变化的重要手段。不同运行参数下电站锅炉的内部检验按照《锅炉安全技术规程》（TSG11-2020）技术规范，对需要进行金相检测的部件给出了明确要求，必须严格执行。电厂锅炉金相检测分为现场检测和取样实验室检测，金相检测主要目的是通过微观组织分析来判断锅炉部件材质是否发生劣化，并依据相应标准判定部件材质劣化的等级，从而给在用电站锅炉能否安全使用到下一检验周期提出建议和解决办法。

1 电站锅炉金属材料检测分析

电力工业是重要的能源工业，随着我国电力工业技术水平的提高，火电核电等得到了迅速的发展。火力发电是我国主要电力生产方式，电站锅炉是火力发电的主要设备。随着大容量机组投入运行，锅炉受热面运行工况更加严苛。电站锅炉大量使用高含灰量的劣质煤，锅炉受热面飞灰磨损问题日益严重，锅炉管道爆管现象频繁发生对电厂造成巨大经济损失。金相检测是通过金属材料微观组织分析来科学判断其力学性能好坏的关键技术，针对锅炉各部件金相检测要求提出基础指标，电站锅炉用部件材质的金相检测内容包括石墨化程度、珠光体球化程度等。

超临界压力直流锅炉采用全钢架悬吊单炉膛结构，锅炉采用超临界参数变压运行方式，炉膛四周下半部分采用螺旋管圈，上半部分为垂直管圈节距，超临界锅炉高温受热面主要是过热器，高温受热面末端部分必须用高等级的高合金钢材料，管道工作温度设计接近许用极限温度范围，管壁厚度可能因调整不及时发生局部超温。超临界机组参数提高对金属材料使用提出更高的要求，要具有承受高压力的强度，减少金属部件的壁厚降低导热系数减少热应力，克服不同金属材料间膨胀过大引起的机械热应力。超临界锅炉连接管道承受高压蒸汽造成高温蠕变应力，厚壁元件要承受低周疲劳应力，锅炉管外受高温烟气腐蚀磨损，根据电站锅炉各种部件工作环境的不同选择合适的金属材料是保证机组安全运行的关键环节。为了提高燃煤发电机组效率，通常采用提高主蒸汽参数来实现。超临界机组高温受热面工作环境恶劣，电站锅炉高温受热面材料经历了从珠光体耐热钢到奥氏体钢的发展过程。

电站锅炉是电站的重要主机，所处环境工况恶劣，通过合理有效的无损检测手段进行质量控制对降低锅炉事故率具有重要意义。电站锅炉无损检测方法有很多，常用的射线检测和超声检测是焊接接头埋藏缺陷检测的最有效手段，磁粉检测和渗透检测是发现电站锅炉部件用金属材质近表面和表面缺陷的有效手段，但它们无法对金属材料的力学性能、微观组织劣化等给出评定。要想真实了解金属材料的微观组织及微观组织对力学性能的影响，金相检测成了目前使用最广泛且检测结果最直观的方法。锅炉设计制造施工及内部检验中需要通过非破坏性措施发现安全隐患，无损检测技术在质量控制中发挥重要的作用。检验电站锅炉金属部件微观制造状态，判断金属材料制造质量和使用中组织性能的变化是国际通用的实验方法，在大容量、运行时间长、运行温度高的电站锅炉机组关键部件中起到了重要的作用，对保障机组安全具有重要意义。

2 电站锅炉常用金属材料金相组织检测

随着国民经济的快速发展，我国新建发电机组装机容量不断扩大。火力发电是我国主要的能源供应方式，电站锅炉作为火电厂核心设备，对我国经济发展起到了重要的作用。锅炉设计运行等研究随着锅炉技术的发展逐步深入，现代锅炉向大容量高参数发展，传统锅炉以超高压锅炉为主，高温高压下采用新材料、新工艺能否达到预期寿命需要长时间的实践验证。《锅炉安全技术规程》（TSG11-2020）技术规范根据锅炉运行时间、工作温度、使用金属材质等对金相检测部件、金相检测位置（包括母材、热影响区及焊缝）、金相检测比例都有明确规定，一般是以运行5万小时内、运行5万～10万小时、运行大于10 万小时来划分的，金相检测随运行时间长短累加检测比例。

2.1 20G 常见组织

20G 是锅炉用碳素钢为低碳钢，表1 为20G 的化学成分。《锅炉安全技术规程》（TSG11-2020）规定20G用于锅炉受热面管子其使用壁温应≤460℃。20G 成品钢管显微组织为铁素体加珠光体，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，20G 使用4%硝酸酒精溶液浸蚀能显示其显微组织，铁素体呈现白色多边形、珠光体呈现黑白相间的片状结构。电站锅炉金相检测常涉及焊接接头的金相检验，焊接接头经历凝固结晶和固态相变，冷却速度快时会出现贝氏体组织。焊缝热影响区是焊接时不同于峰值热循环作用下形成的系列连续变化梯度组织区域，手工电弧焊热影响区域宽度在6 ～8.5mm，焊接热影响区包括粗晶粒区和部分相变区。

表1 20G 的化学成分%

通过分析焊接接头各个区域的金相组织，能进一步了解焊缝的力学性能，焊接参数选用不当时，焊接头出现异常组织劣化，导致焊接接头力学性能下降。20G 在长期服役后发生材质劣化特征有珠光体球化现象、石墨化现象。珠光体是铁素体和渗碳体交替重叠层片状机械混合物，层片状组织的表面积与体积之比较球状组织大，层片状组织具有的表面能较高，能量高的层片状组织不稳定通过组织结构形态转变为就有低能量的球状组织。因此，长期在高温下使用的层片状珠光体的碳化物会向球状转变，小颗粒的渗碳体聚集成较大的小球来减小表面能大道组织稳定性。

2.2 15CrMo 和12Cr1MoV

15CrMo 和12Cr1MoV 加 入 了Cr、Mo 元 素 可 提 高金属强度，表2 为15CrMo 和12Cr1MoV 钢管的力学性能。15CrMo 和12Cr1MoV 不会因发生石墨化引起材质劣化，15CrMo 用作受热面管子使用最高壁温为560℃，12Cr1MoV 用作受热面管子使用最高壁温为580℃，两种材料使用条件差异小，15CrMo 和12Cr1MoV 会发生珠光体球化现象。15CrMo 和12Cr1MoV 管子常用于制作电站锅炉主蒸汽管道、集汽集箱、高过集箱等部件，这些部件在温度大于450℃下长时间运行，会导致其显微组织产生变化，因此对这些部件重点进行金属监督是必要的，金相检测手段是目前最可靠的办法。15CrMo 显微组织应为铁素体+珠光体，15CrMo 珠光体球化依据《火电厂用15CrMo 钢珠光体球化评级标准》（DL/T787-2001）划分级别。12Cr1MoV 显微组织通常为铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体+少量珠光体。电12Cr1MoV 贝氏体组织、珠光体组织的球化依据《火电厂用12Cr1MoV 钢球化评级标准》（DL/T773-2016）划分级别。珠光体球化和石墨化关系密切，温度高于552℃石墨化在珠光体球化后发生。

表2 15CrMo 和 12Cr1MoV 钢管的力学性能

2.3 P91 金相组织

P91 钢是在原高强度9Cr-1Mo 钢的基础上，通过添加V、Nb、N 等合金元素强化形成的一种变质新钢种，属于马氏体耐热钢，其填补了珠光体耐热钢和奥氏体耐热钢在600℃到650℃温度区域用作汽水管道新钢种的空白。目前，P91 钢广泛应用于火电厂亚临界机组中主蒸汽、再热蒸汽管道等重要高温承压部件，其最高使用温度可达650℃。P91 钢的强化机理主要包括碳化物弥散强化、亚结构强化等。在ASME SA-335 标准中对P91化学成分和力学性能作出了明确规定，表3 为P91 钢的力学性能。P91 钢母材正常金相组织为回火马氏体，焊接接头的焊缝组织与母材类似。P91 钢在高温高压下运行会出现显微组织老化现象，显微组织老化的基本特征为显微组织位向形态特征变化和晶内、晶外碳化物分布形态变化。P91 钢显微组织老化依据《火力发电厂用10Cr9Mo1VNbN 钢显微组织老化评级》（DL/T2219-2021）划分级别，主要通过分析回火马氏体组织中的马氏体位向分散情况、碳化物分布情况及是否出现铁素体情况等，把P91 钢老化评级分为五级，1 级未老化，5级老化中马氏体形态完全消失，组织转变为铁素体+碳化物，且晶界处碳化物显著长大并呈链状分布。

表3 P91 的力学性能

3 电厂锅炉金属材料氧化皮剥落失效分析

电站锅炉是受火焰加热的高温高压特种设备，发达国家颁布相关法规规范对设计施工安装等进行严格控制。超临界电站锅炉高温受热面管道频繁发生氧化皮堵塞爆管事故，不少发电厂采取被动应对法，近年来，国内部分发电机组因氧化皮剥落堵塞管道引起安全事故造成巨大损失。随着运行时间的增长，超临界锅炉高温受热面管内氧化皮引起爆管问题日益突出，研究超临界锅炉高温受热面管内氧化行为机理，提出系统预防氧化皮生成理论方法对确保发电机组安全可靠运行具有重要意义。

超临界锅炉耐高温受热面随布置位置不同，蒸汽流量与管壁传热密切相关，蒸汽侧氧化分压力与蒸汽压力相关，锅炉竞技降负荷中高温受热面蒸汽压力发生较大变动。锅炉发生超温运行时金属元素向外侧扩散。超临界锅炉过热器系统包括顶棚、分隔屏与后屏过热器，过热器系统气温调节采用染料调节方法，末级过热器共82片每片受热面有12 根管子。高温受热面运行状况对蒸汽氧化侧产生很大影响。机组长时间运行后末级过热器发生爆管，停炉检修发现爆口呈开放状，相应部位未爆管末级过热器焊口进行RT 检查，管道进行割管检查发现管内被氧化皮堵塞。超临界锅炉高温合金钢在不同运行介质气氛中氧化腐蚀行为不同，研究发现超临界水及过热蒸汽中金属氧化速率不同，氧化机理基本类似。高温蒸汽下氧化机理包括氧化气体渗透机理、蒸汽分解机制等。

4 结语

电站锅炉是重要的能源转化设备，随着科技水平的提高，电站锅炉使用的金属材料更加多样化。金相检测是电站锅炉的重要金属监督手段，对了解锅炉用金属材料劣化状况起到了至关重要的作用，电站锅炉检验人员积累金相检测相关经验对确保锅炉是否能安全运行到下一个检验周期非常重要。国家虽然制定了系列检验检测相关规范标准，但在实际检测机构中除了根据自身检验资源条件外，还要结合电站锅炉运行情况、日常管理等依据相应检验规范标准制定适合的检验方法。通常无损检测技术是发现安全隐患的非破坏性方法，主要用于锅炉部件焊接接头内部埋藏缺陷和表面缺陷的检测，这对电站锅炉设计制造安装使用等具有重要意义。同时，随着大型火电厂超临界火电机组的发展，锅炉管道发生氧化皮脱落问题不断增多。超临界锅炉高温内氧化皮问题复杂，需要加强抗氧化材料的开发，开发不同材料系列的超临界锅炉氧化皮控制理论技术。