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锅炉常用金属材料金相检测及组织分析

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：程明明

[导读] 摘要：锅炉是特种设备，并受到国家特种设备监察机构监管。

        山东中琦环保设备制造有限公司山东济南 250400
        摘要：锅炉是特种设备，并受到国家特种设备监察机构监管。在选择用于电锅炉的金属材料时，必须严格遵守国家有关标准，并选择符合要求的材料。如果所选的金属材料不具备较大的安全裕量，则可能会发生严重的安全事故，危及人们的生命以及财物安全。相反，如果选用的材料合金元素高，不仅浪费材料，而且在碳钢零件中使用合金焊材也存在危险。
        关键词：锅炉；金属材料；金相检测
        文章先分析了金相检测，随后分别介绍电锅炉内部20G、P91、12Cr1MoV以及15CrMo等常用金属材料的正常显微组织、力学性能和化学成分，随后分析其运行中所能产生的老化特点，包括析出碳化物、珠光体石漠化和球化，希望能给相关人士提供有效参考。
        1锅炉金属材料的应用环境
        锅炉是受国家特种设备监察机构监管的特种设备，危险因素较高。在日常工作中，维修和保养这些设备时会考虑许多细节。特别是在选择基本组件的金属组件时，不兼容问题会影响功能的使用。在严重的情况下，这甚至可能危及管理人员的人身安全。
        2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。
        金相显微镜结构及工作原理。冶金显微镜是当前金相检测过程中比较普遍的一种设备，主要由三部分组成：光学系统，照明系统和机械系统。光学系统主要由光源，一组物镜，反射镜，目镜和几组电容器组成。照明系统主要由一个低压灯，一组电容器，一个孔径光阑，一个反射镜和一个视场光阑组成。机械系统由一个视场光阑，一个目镜，一个扫描台，一个粗调和微调轮，一个透镜转换器，一个光圈光阑等组成。金相显微镜的主要工作原理与普通显微镜基本相同。随着现代科学技术的不断发展，金相显微镜也取得了长足的进步。
        320G
        （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。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。
        4P91
        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℃。
        相关的强化机制主要包括马氏体的强化，固溶体的强化，碳化物的分散，位错的强化和沉淀的强化。在正常情况下，P91钢的金相组织主要由回火马氏体组成，通常可以通过三氯化铁盐酸侵蚀得到。热影响接头焊接区域的组织结构非常接近母材。
        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。

             图14级P91钢老化显微组织
        515CrMo和12Cr1MoV
        15CrMo和12Cr1MoV是低合金耐热钢。《锅炉安全技术监察规程》规定，15CrMo作为受热面管的最高壁温不高于560℃，集箱和管道的最高壁温为不高于550℃；12Cr1MoV作为受热面管的最高壁温不高于580℃，集箱和管道的最高壁温为不高于565℃。可以看出，两种材料的使用条件差别不大。GB5310规定15CrMo的显微组织必须为铁素体与珠光体为主，并允许存在粒状贝氏体。12Cr1MoV的微观结构必须为铁素体加粒状贝氏体或铁素体加珠光体或铁素体加粒状贝氏体加珠光体，允许存在索氏体。低合金耐热钢在高温下长期运行过程中，会产生珠光体的球化，合金元素在固溶体和碳化物间的再分配，钢的热强性能和力学性能随着珠光体球化程度和固溶体中合金元素贫化程度的加大而逐渐降低，以致材质逐渐劣化甚至失效。因此，我们应通过金相检测观察钢中珠光体的球化程度来判定钢材的可靠性。
        结语
        总之，电站锅炉是一种能量转换装置，其运行稳定性和安全性对发电厂的发展具有重大影响。金相检测是电站锅炉检验中的一种的有效方法。
        随着社会科学和技术水平的不断提高，电站锅炉中使用的材料也朝着更加多样化的方向发展。因此需要适当的人员来不断获得金相检测的工作经验并提高金相检测的准确性。确保电站锅炉安全稳定运行，促进中国电站锅炉检验检测工作的进步与发展。
        参考文献：
        [1]庄明明，许崇涛.电站锅炉常用金属材料金相检测及组织分析[J].中国特种设备安全，2018，34（03）：23-27.
        [2]谭鹏.电站锅炉混煤低NO_x燃烧建模与运行优化研究[D].华中科技大学，2017.