电站锅炉几种常见钢材的金相组织分析

广西轻工业

GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 化工与材料

2009年5月

第5期（总第126期）

1引言

电站锅炉部件在高温条件下长期使用，将发生蠕变及其它与时间有关的变化，在整个服役期内都将发生显微组织的不断老化和宏观性能的逐渐劣化。其变化程度和速度取决于原始材料的组织状态和成分，部件使用温度和应力、使用时间等条件。采用金相学方法是为了得到金属材料内部组织状态变化的特征信息。金属材料在长期高温和应力作用下发生组织老化的特征可用碳化物相的一系列变化来表征，检验和分析时必须考虑组织形态改变（如球化，贝氏体晶粒取向、再结晶以及更复杂的微观位错结构变化等）、相成分改变、碳化物粗化和相结构改变（由简单结构的M

2

C、M3C相等碳化物类型转变为复杂结构的M23C6、M6C相）等四个方面。

在电站部件定期常规检验和锅炉、压力容器定检中常采用一般性金相检验，其检验内容一般包括评定金相组织、球化（老化）程度、夹杂物级别、晶粒度级别等标准项目，通常对检验结果不进行详细统计和定量分析，只限于对标准规定的评判。在电厂的金相检验中常见的钢材有20G（GB5310-95）、12Cr1MoVG、T/P91钢等，下面就这几种常见钢材金相组织的显示、特征、判定及分析做简要介绍。

220G

2.1化学成分与力学性能[1]

按GB5310要求供货的20G（优质碳素结构钢）用作受热面管件，其长期使用的最高壁温≤450℃，用做联箱和蒸汽管道时，长期使用温度应≤425℃，其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。

表120G钢化学成分(%)

表220G钢力学性能

2.2组织的显示方法、特征

由于20G的C含量<0.8%,属于亚共析钢，其热轧或正火后的组织一般为先共析铁素体和珠光体，常用的化学浸蚀试剂是5%的硝酸乙醇溶液，长期服役后可能发生珠光体球化或石墨化现象。

2.3珠光体球化

珠光体球化程度一般分为5个级别，5级球化的20G抗拉强度和屈服强度减少约20%~25%，因此必须加强对珠光体球化的监督，珠光体球化的评定方法通常是采用与标准图谱对比的方法，在金相显微镜250倍或500倍的倍率下进行球化级别的评定，必要时可在更高倍率下观察珠光体的细节。标准图谱可参照DL/T674-1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》。

2.4石墨化

石墨化会导致材料性能下降，严重时还会发生爆破失效，对部件的安全构成威胁。低碳钢和不含Cr的低碳Mo钢等耐热钢，在高温长期运行过程中，均会随时间的推移而产生石墨化。当工作温度大于和等于450℃，运行时间达到或超过10万h时，应进行普查，以后的检验周期约5万h。20G的石墨化如图1所示。石墨化评级应选择石墨化最严重部位，同一检查面应选择不少于3个视场，在放大500倍下与标准图谱相对照进行石墨化评级，评级过程中应综合考虑石墨面积百分比、石墨链长度、石墨形态等结果。石墨化程度一般分为四级。标准图谱可参照DL/T786-2001《碳钢石墨化检验及评级标准》。

图120G的石墨化

2.5晶粒的显示与晶粒度的测定

晶粒度的检验是借助金相显微镜来测定钢中的实际晶粒度和奥氏体晶粒度的。实际晶粒度就是从成品钢材上截取试样所测得的晶粒大小，而奥氏体晶粒度是将钢加热到一定温度并

电站锅炉几种常见钢材的金相组织分析

刘保国，杨必应

（安徽省特种设备检测院，安徽合肥230051）

【摘要】通过对电站锅炉几种常见钢材金相组织的显示、特征、判定及分析，总结出电站锅炉金相检验应有的项目和注意的一些问题。

【关键词】珠光体球化；石墨化；晶粒度；马氏体耐热钢；T/P91

【中图分类号】TB31【文献标识码】A【文章编号】1003-2673(2009)05－18－02

保温足够时间后，测定钢中奥氏体晶粒的大小。20G为亚共析钢，珠光体的形成机制为共格机制，在此机制的作用下，原始的奥氏体晶粒已经被完全破坏，因此在现场检验的金相照片上不能直接显示奥氏体的晶粒大小，需要通过将钢进行奥氏体化后，测定钢中奥氏体晶粒的大小。在电站锅炉检验过程中我们常用的奥氏体晶粒形成方法为氧化法和网状铁素体法。氧化法显示奥氏体晶粒通常选用的腐蚀试剂是15%的盐酸乙醇溶液，网状铁素体法显示奥氏体晶粒通常选用的腐蚀试剂是3%~4%的硝酸乙醇溶液或5%的苦味酸乙醇溶液。晶粒度的测定，一般可按GB/T6394-2002的规定，在金相显微镜放大100倍下进行。也可直接在部件金相照片测定铁素体晶粒度，即实际晶粒度。

312C r1Mo VG

3.1化学成分与力学性能[1]

12Cr1MoVG属于珠光体低合金热强钢，具有较高的热强性和持久塑性，抗氧化性能和焊接性能良好,组织稳定性良好。用作受热面管子最高壁温≤570℃，用做联箱和蒸汽管道时，长期使用温度应≤555℃，其化学成分和力学性能分别如表3和表4所示。

表3化学成分(%)

表4力学性能

3.2组织的显示方法、特征

12Cr1MoVG在正火加回火后的组织一般为先共析铁素体和珠光体，碳化物呈颗粒状，主要分布在原珠光体区域内和晶界上，常用的化学浸蚀试剂是5%的硝酸酒精溶液。

3.3珠光体球化

12Cr1MoVG在高温下长期运行过程中会出现珠光体球化现象，如图2和图3所示。轻度至中度球化对持久强度影响不大，但完全球化的组织会显著降低钢的热强性，对运行中出现球化的钢管必须加强金属监督。珠光体球化的评定方法通常是采用与标准图谱对比的方法，在金相显微镜200倍的倍率下进行球化级别的评定，必要时可在500倍或更高倍率下进行观察珠光体。球化级别从原始状态到严重球化分5级，标准图谱可参照DL/T773-2001《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》。

图212Cr1MoVG珠光体球化3~4级200×

在电站锅炉的定期检验过程中我们发现有些部件由于制造的原因导致部件表层球化严重或脱碳的现象，针对这类问题我们应进行全面的分析，判断球化现象是否是由于锅炉超温运行所致，有怀疑时应加大打磨深度，有条件时应对端面进行金相组织分析，确保我们的检验结果能真实反映材料的实际组织。

图312Cr1MoVG珠光体球化3~4级500×

3.4碳化物

12Cr1MoVG在高温下长期运行过程中有可能会出现碳化物相沿晶界析出，并聚集长大，而碳化物沿晶界析出及其粗化是材料结构和性能发生恶化的主要原因，因此必须加强对碳化物相的监督。同时晶内也可能有碳化物析出和积聚，α相开始析出M

23

C6、M7C3、M6C、M2C等不同类型的碳化物，α相内合金元素贫化，极大的恶化了钢的性能，使材料失效。必要时可通过透射电镜（TEM）分析材料中是否有对钢强度有严重恶化的M7C3、M6C型碳化物存在，以此来确认材料是否失效[2]。

3.5晶粒的显示与晶粒度的测定

12Cr1MoVG珠光体的形成机制为共格机制,在此机制的作用下,原始的奥氏体晶粒已经被完全破坏,需要通过将钢进行奥氏体化后，测定钢中奥氏体晶粒的大小。其奥氏体晶粒的形成和显示方法、晶粒度的测定与20G类似。

4T/P91钢

4.1化学成分与力学性能[1]

T/P91钢属于高强度马氏体耐热钢，该钢不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和稳定的持久塑性及热强性能。主要用于亚临界、超临界锅炉壁温≤625℃的高温过热器、壁温≤650℃的高温再热器钢管，以及壁温≤600℃的高温集箱和蒸汽管道。其化学成分和力学性能分别如表5和表6所示。

表5化学成分(%)

表6力学性能

4.2组织的显示方法、特征

T/P91G含有大量的Cr、Mo等元素，通过正火即可得到马氏体组织，正火态板条状马氏体经高温回火后，回复为破碎的、晶粒细小的回火马氏体，光学显微镜下马氏体板条束位向已不明显。马氏体板条在高温回火时并不发生再结晶形成铁素体基

（下转第39页）