电站锅炉常用金属材料金相检测研究

电站锅炉常用金属材料金相检测研究
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研究与探索Research and Exploration ·智能检测与诊断
中国设备工程 2023.11 (下)
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%
牌号C Si Mn S P
20G 0.17～0.230.17～0.370.35～0.65<0.015<0.025
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
牌号
抗拉强度MPa 屈服强
度MPa
断后伸长率%冲击功 J
纵向横向纵向横向15CrMo 440～640>295>21>19>40>2712Cr1MoV 470～640>225>21>19
>40>27
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，※
电磁释放锁在起落架落震试验中的。