莊明明 許崇濤

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192）

電站鍋爐部件在高溫條件下長期運行，部件材料的顯微組織將發(fā)生與時間有關(guān)的變化，顯微組織隨著時間的老化會導致部件宏觀性能的降低，隨著運行時間的延長，部件材料強度逐漸降低，對鍋爐的安全運行帶來隱患。電站鍋爐金屬部件常見的顯微組織劣化特征有蠕變、珠光體球化、石墨化、碳化物析出等。

金相檢測是研究金屬材料結(jié)晶規(guī)律和力學性能的重要手段，通過金相組織可以有效地反應(yīng)金屬材料在使用過程中出現(xiàn)的變化。電廠金相檢驗一般分為現(xiàn)場金相和取樣實驗室金相兩種，通常在電站鍋爐定期檢驗過程中以非破壞性現(xiàn)場金相為主。檢驗的主要內(nèi)容包括評定金相組織、球化及石墨化程度，以及異常組織的辨別等。

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）對不同運行時長及鍋爐的不同部件規(guī)定了金相檢測的比例及要求。例如運行時間不超過5萬h的鍋爐，規(guī)定主蒸汽管道和再熱蒸汽管道的對接焊接接頭和彎頭進行金相抽查，抽查比例為5%，9%～12%Cr鋼制材料制造的部件抽查比例為10%；運行時間超過5萬h但不超過10萬h的鍋爐，工作溫度大于等于450℃的主蒸汽管道、再熱蒸汽管道、蒸汽主要連接管道的對接接頭和彎頭進行金相抽查，抽查比例為5%；運行時間超過10萬h的鍋爐又增加了對于過熱器集箱、再熱器集箱以及集汽集箱等的金相抽查。

不同運行參數(shù)的鍋爐，鍋爐定期檢驗規(guī)則中規(guī)定做金相的部件所采用的材料也均有不同，在低運行參數(shù)的鍋爐常用的金屬材料是20G，在中、高參數(shù)的鍋爐中，常用15CrMo和12Cr1MoV，在更高參數(shù)的鍋爐中常使用P91，下面分別對這幾種材料的金相組織及常見劣化特征進行分析和介紹。

1 20G

1.1 20G基本性能及常見組織

20G（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）屬于低碳鋼，《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定20G用作受熱面管子使用的最高壁溫≤460℃，用作集箱和管道使用的最高壁溫≤430℃。GB 5310規(guī)定的其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 20G的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%

表2 20G鋼管的力學性能

根據(jù)GB 5310規(guī)定20G成品鋼管的顯微組織應(yīng)為鐵素體加珠光體。鐵素體是碳固溶于α-Fe中的固溶體，珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，通常呈層片狀。20G使用硝酸酒精溶液侵蝕能顯示其顯微組織，在光學顯微鏡下鐵素體呈亮白色多邊形或塊狀、月牙狀，珠光體區(qū)域則呈黑色，致密的層片狀，見圖1。

圖1 20G顯微組織（亮白色為鐵素體，黑色區(qū)域為珠光體）

在電站鍋爐的金相檢測中常涉及焊接接頭的金相檢驗，焊接接頭一般包括焊縫、焊接熱影響區(qū)和母材三部分。焊縫先后經(jīng)歷兩次結(jié)晶，即凝固結(jié)晶和固態(tài)相變，在常溫下焊縫常出現(xiàn)的顯微組織有鐵素體+珠光體，冷卻速度較快時也會出現(xiàn)貝氏體組織，其中貝氏體組織在現(xiàn)場金相檢驗時較為常見，見圖2。焊縫熱影響區(qū)是在焊接時于不同峰值熱循環(huán)作用下形成的一系列連續(xù)變化的梯度組織區(qū)域，不同的焊接方式焊接熱影響區(qū)域的寬度不同，例如對于手工電弧焊熱影響區(qū)總寬度在6～8.5mm范圍。焊接熱影響區(qū)通常包括熔合區(qū)、粗晶粒區(qū)、細晶粒區(qū)和部分相變區(qū)，焊接熱影響區(qū)為焊縫與母材的過渡段，因此其金相組織既可能出現(xiàn)焊縫的特征，亦可能出現(xiàn)母材的特征。當焊接不當時，焊接接頭常會出現(xiàn)異常組織，如魏氏組織和馬氏體等，其會惡化焊接接頭的力學性能。

圖2 20G焊縫顯微組織（白色條狀為鐵素體，顆粒狀為貝氏體）

20G在長期服役后可能發(fā)生的材質(zhì)劣化特征有珠光體球化和石墨化現(xiàn)象，下面分別進行介紹。

1.2 珠光體球化

珠光體是鐵素體和滲碳體交替重疊的層狀機械混合物，片狀碳化物的比表面積大，而球狀碳化物的比表面積小，因此片狀碳化物的表面能大于球狀碳化物的表面能，由熱力學第二定律可知，能量高的組織不穩(wěn)定，會通過結(jié)構(gòu)組織轉(zhuǎn)變來降低其能量。因此，層片狀的珠光體是一種不穩(wěn)定的組織，在高溫高壓條件下，片狀的碳化物會向球狀碳化物轉(zhuǎn)變，同時小顆粒的滲碳體（或碳化物）也會慢慢聚集成小球甚至大球以減小表面能，從而達到穩(wěn)定狀態(tài)，見圖3，即發(fā)生珠光體球化[1-2]。由以上可見珠光體球化的本質(zhì)是C原子的擴散和再聚集過程。

圖3 珠光體球化過程示意圖

珠光體球化會影響金屬材料的力學性能，嚴重球化時會使其強度降低20%～30%，因此必須加強對珠光體球化的監(jiān)督。在電站鍋爐金相檢測中，通常是依據(jù)DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》將珠光體球化分為5個級別，采用與標準圖譜對比的方法對珠光體球化進行評級，1級未球化，5級完全球化。見圖4，是現(xiàn)場金相檢測中20G主汽管5級球化的顯微組織照片，硬度檢測此部位里氏硬度值為319。

圖4 20G球化5級顯微組織（珠光體形態(tài)已消失）

1.3 石墨化

《鍋爐定期檢驗規(guī)則》（TSG G7002—2015）規(guī)定對于運行超過10萬h的鍋爐，工作溫度大于或者等于450℃的碳鋼管道進行石墨化檢測。石墨化是指鋼中滲碳體分解成為游離態(tài)的碳，并逐漸以石墨形式析出的現(xiàn)象。在高溫和應(yīng)力的同時作用下，球化的滲碳體逐漸分解形成鐵素體和石墨，石墨C伴隨著珠光體的球化逐漸長大，F(xiàn)e3C完全分解為鐵素體和石墨時，即完成石墨化過程，轉(zhuǎn)化方程式：Fe3C→3Fe+C（石墨）[3]。

石墨化通常會發(fā)生在焊接接頭的熔合線和熱影響區(qū)部位，以及溫度較高和應(yīng)力較大的部位等。石墨會由微小的點狀逐步變?yōu)榇值念w粒，嚴重石墨化甚至會形成鏈狀和團絮狀。由于石墨強度極低，極易引起脆斷，因此會嚴重影響設(shè)備的安全性能，甚至導致設(shè)備的報廢。20G石墨化檢測是依據(jù)DL/T 786—2001《碳鋼石墨化檢驗及評級標準》將20G的石墨化分為4級，即輕度、明顯、顯著和嚴重石墨化。圖5為20G石墨化2級的現(xiàn)場金相顯微組織。

1.4 石墨化與球化之間的關(guān)系

珠光體球化和石墨化密切相關(guān)，球化與石墨化是發(fā)生在相互有重合的溫度范圍內(nèi)相互競爭的機理。當溫度高于552℃，石墨化會在球化之后發(fā)生，當溫度低于552℃時，石墨化會在鋼完全球化之前出現(xiàn)。

圖5 20G石墨化2級顯微組織

2 15CrMo和12Cr1MoV

15CrMo和12Cr1MoV屬于低合金耐熱鋼，加入Cr和Mo元素可以提高金屬的強度和耐腐蝕性能，Cr元素還可以阻止石墨化，因此15CrMo和12Cr1MoV不會發(fā)生因石墨化而引起的材質(zhì)劣化。《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定15CrMo用作受熱面管子使用的最高壁溫≤560℃，用作集箱和管道使用的最高壁溫≤550℃，12Cr1MoV用作受熱面管子使用的最高壁溫≤580℃，用作集箱和管道使用的最高壁溫≤565℃，可見兩種材料的使用條件差別不大。GB 5310規(guī)定的兩種材料的化學成分和力學性能分別見表3和表4。

表3 15CrMo和12Cr1MoV的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%

表4 15CrMo和12Cr1MoV鋼管的力學性能

GB 5310中規(guī)定15CrMo的顯微組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，允許存在粒狀貝氏體；12Cr1MoV的顯微組織應(yīng)為鐵素體+粒狀貝氏體或鐵素體+珠光體或鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體，允許存在索氏體。圖6為15CrMo和12Cr1MoV的顯微組織圖。在電站鍋爐現(xiàn)場金相檢測中，鐵素體+粒狀貝氏體的組織常見于12Cr1MoV的主汽管彎頭部位，見圖7，出現(xiàn)貝氏體時，部件硬度偏高，硬度檢測此處里氏硬度值為567。焊接接頭的金相組織與20G相似，常見組織形態(tài)為鐵素體+貝氏體，在此不再贅述。

圖6 15CrMo和12Cr1MoV的顯微組織

圖7 12Cr1MoV彎頭顯微組織（鐵素體+粒狀貝氏體）

15CrMo和12Cr1MoV與20G一樣會發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象，但是由于Cr和Mo元素的存在阻止了石墨化的發(fā)生。珠光體球化分別依據(jù)DL/T 787—2001《火力發(fā)電廠用15CrMo鋼珠光體球化評級標準》和DL/T 773—2001《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標準》進行評級，與20G一樣球化級別分為5級，12Cr1MoV的貝氏體老化評級也依據(jù)上述標準。圖8為15CrMo珠光體球化的顯微組織。

圖8 15CrMo珠光體球化4.5級顯微組織（珠光體區(qū)域接近消失）

3 P91

P91鋼廣泛用于火電廠主蒸汽管道、再熱蒸汽管道等重要高溫承壓部件，它是在P9的基礎(chǔ)上通過降低含碳量，同時添加合金元素V、Nb并控制N含量開發(fā)出來的改良型9Cr-1Mo高強度馬氏體耐熱鋼。其強化機理主要有固溶強化、碳化物彌散強化、析出強化、位錯和亞結(jié)構(gòu)強化以及馬氏體強化等[4]。P91用作集箱和蒸汽管道使用的最高壁溫≤600℃[5]，ASME SA-335中規(guī)定P91的化學成分和力學性能分別見表5和表6。

表5 P91的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）/%

表6 P91的力學性能

P91鋼的正常的金相組織一般為回火馬氏體，也可能出現(xiàn)回火索氏體，見圖9，其焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)組織與母材類似。P91鋼的異常組織的表現(xiàn)為馬氏體板條束位向不明顯及δ-鐵素體含量超標等。

圖9 P91鋼的金相組織

P91鋼在高溫高壓下運行也會出現(xiàn)老化現(xiàn)象，P91鋼的老化依據(jù)DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術(shù)導則》非珠光體鋼的組織老化評定，根據(jù)晶內(nèi)碳化物的析出、晶界碳化物的聚集，以及馬氏體位向的分散情況，將P91的老化情況分為5級，1級未老化，5級嚴重老化，見圖10，P91鋼4級老化顯微組織，晶內(nèi)碳化物粒子數(shù)量很少，馬氏體位向已嚴重分散。

圖10 P91鋼老化4級顯微組織

4 結(jié)束語

電站鍋爐作為重要的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，其安全、穩(wěn)定地運行有著重大的社會意義。金相檢測是電站鍋爐的一種重要金屬監(jiān)督手段，準確地分析出金屬材料的組織并給予老化評級，對于了解鍋爐金屬材料的劣化狀況以及是否能安全運行到下一檢測周期起著重要作用。電站鍋爐材料多樣、運行狀況各異，進一步的積累金相檢測的相關(guān)經(jīng)驗并且開展相關(guān)的課題研究尤為重要。

[1] 張彥超.T91鋼金屬監(jiān)督基礎(chǔ)研究[D].石家莊：河北科技大學，2009.

[2] 李兵，胡華勇，雷勝軍.10CrMo910鋼球化加速特點及恢復熱處理工藝的研究[J].湖南電力，2002(03)：15-17.

[3] 史偉，楊莉，張君，等.20G鋼石墨化成因及其對力學性能的影響[J].熱處理技術(shù)與裝備，2013，34(03)：24-26.

[4] 廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[5] 劉保國，楊必應(yīng).電站鍋爐幾種常見鋼材的金相組織分析[J].輕工科技，2009，25(05)：18-19.