电站锅炉常用金属材料金相检测及组织分析

庄明明 许崇涛

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

电站锅炉部件在高温条件下长期运行，部件材料的显微组织将发生与时间有关的变化，显微组织随着时间的老化会导致部件宏观性能的降低，随着运行时间的延长，部件材料强度逐渐降低，对锅炉的安全运行带来隐患。电站锅炉金属部件常见的显微组织劣化特征有蠕变、珠光体球化、石墨化、碳化物析出等。

金相检测是研究金属材料结晶规律和力学性能的重要手段，通过金相组织可以有效地反应金属材料在使用过程中出现的变化。电厂金相检验一般分为现场金相和取样实验室金相两种，通常在电站锅炉定期检验过程中以非破坏性现场金相为主。检验的主要内容包括评定金相组织、球化及石墨化程度，以及异常组织的辨别等。

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）对不同运行时长及锅炉的不同部件规定了金相检测的比例及要求。例如运行时间不超过5万h的锅炉，规定主蒸汽管道和再热蒸汽管道的对接焊接接头和弯头进行金相抽查，抽查比例为5%，9%～12%Cr钢制材料制造的部件抽查比例为10%；运行时间超过5万h但不超过10万h的锅炉，工作温度大于等于450℃的主蒸汽管道、再热蒸汽管道、蒸汽主要连接管道的对接接头和弯头进行金相抽查，抽查比例为5%；运行时间超过10万h的锅炉又增加了对于过热器集箱、再热器集箱以及集汽集箱等的金相抽查。

不同运行参数的锅炉，锅炉定期检验规则中规定做金相的部件所采用的材料也均有不同，在低运行参数的锅炉常用的金属材料是20G，在中、高参数的锅炉中，常用15CrMo和12Cr1MoV，在更高参数的锅炉中常使用P91，下面分别对这几种材料的金相组织及常见劣化特征进行分析和介绍。

1 20G

1.1 20G基本性能及常见组织

20G（优质碳素结构钢）属于低碳钢，《锅炉安全技术监察规程》中规定20G用作受热面管子使用的最高壁温≤460℃，用作集箱和管道使用的最高壁温≤430℃。GB 5310规定的其化学成分和力学性能分别见表1和表2。

表1 20G的化学成分（质量分数）/%

表2 20G钢管的力学性能

根据GB 5310规定20G成品钢管的显微组织应为铁素体加珠光体。铁素体是碳固溶于α-Fe中的固溶体，珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，通常呈层片状。20G使用硝酸酒精溶液侵蚀能显示其显微组织，在光学显微镜下铁素体呈亮白色多边形或块状、月牙状，珠光体区域则呈黑色，致密的层片状，见图1。

图1 20G显微组织（亮白色为铁素体，黑色区域为珠光体）

在电站锅炉的金相检测中常涉及焊接接头的金相检验，焊接接头一般包括焊缝、焊接热影响区和母材三部分。焊缝先后经历两次结晶，即凝固结晶和固态相变，在常温下焊缝常出现的显微组织有铁素体+珠光体，冷却速度较快时也会出现贝氏体组织，其中贝氏体组织在现场金相检验时较为常见，见图2。焊缝热影响区是在焊接时于不同峰值热循环作用下形成的一系列连续变化的梯度组织区域，不同的焊接方式焊接热影响区域的宽度不同，例如对于手工电弧焊热影响区总宽度在6～8.5mm范围。焊接热影响区通常包括熔合区、粗晶粒区、细晶粒区和部分相变区，焊接热影响区为焊缝与母材的过渡段，因此其金相组织既可能出现焊缝的特征，亦可能出现母材的特征。当焊接不当时，焊接接头常会出现异常组织，如魏氏组织和马氏体等，其会恶化焊接接头的力学性能。

图2 20G焊缝显微组织（白色条状为铁素体，颗粒状为贝氏体）

20G在长期服役后可能发生的材质劣化特征有珠光体球化和石墨化现象，下面分别进行介绍。

1.2 珠光体球化

珠光体是铁素体和渗碳体交替重叠的层状机械混合物，片状碳化物的比表面积大，而球状碳化物的比表面积小，因此片状碳化物的表面能大于球状碳化物的表面能，由热力学第二定律可知，能量高的组织不稳定，会通过结构组织转变来降低其能量。因此，层片状的珠光体是一种不稳定的组织，在高温高压条件下，片状的碳化物会向球状碳化物转变，同时小颗粒的渗碳体（或碳化物）也会慢慢聚集成小球甚至大球以减小表面能，从而达到稳定状态，见图3，即发生珠光体球化[1-2]。由以上可见珠光体球化的本质是C原子的扩散和再聚集过程。

图3 珠光体球化过程示意图

珠光体球化会影响金属材料的力学性能，严重球化时会使其强度降低20%～30%，因此必须加强对珠光体球化的监督。在电站锅炉金相检测中，通常是依据DL/T 674—1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》将珠光体球化分为5个级别，采用与标准图谱对比的方法对珠光体球化进行评级，1级未球化，5级完全球化。见图4，是现场金相检测中20G主汽管5级球化的显微组织照片，硬度检测此部位里氏硬度值为319。

图4 20G球化5级显微组织（珠光体形态已消失）

1.3 石墨化

《锅炉定期检验规则》（TSG G7002—2015）规定对于运行超过10万h的锅炉，工作温度大于或者等于450℃的碳钢管道进行石墨化检测。石墨化是指钢中渗碳体分解成为游离态的碳，并逐渐以石墨形式析出的现象。在高温和应力的同时作用下，球化的渗碳体逐渐分解形成铁素体和石墨，石墨C伴随着珠光体的球化逐渐长大，Fe3C完全分解为铁素体和石墨时，即完成石墨化过程，转化方程式：Fe3C→3Fe+C（石墨）[3]。

石墨化通常会发生在焊接接头的熔合线和热影响区部位，以及温度较高和应力较大的部位等。石墨会由微小的点状逐步变为粗的颗粒，严重石墨化甚至会形成链状和团絮状。由于石墨强度极低，极易引起脆断，因此会严重影响设备的安全性能，甚至导致设备的报废。20G石墨化检测是依据DL/T 786—2001《碳钢石墨化检验及评级标准》将20G的石墨化分为4级，即轻度、明显、显著和严重石墨化。图5为20G石墨化2级的现场金相显微组织。

1.4 石墨化与球化之间的关系

珠光体球化和石墨化密切相关，球化与石墨化是发生在相互有重合的温度范围内相互竞争的机理。当温度高于552℃，石墨化会在球化之后发生，当温度低于552℃时，石墨化会在钢完全球化之前出现。

图5 20G石墨化2级显微组织

2 15CrMo和12Cr1MoV

15CrMo和12Cr1MoV属于低合金耐热钢，加入Cr和Mo元素可以提高金属的强度和耐腐蚀性能，Cr元素还可以阻止石墨化，因此15CrMo和12Cr1MoV不会发生因石墨化而引起的材质劣化。《锅炉安全技术监察规程》中规定15CrMo用作受热面管子使用的最高壁温≤560℃，用作集箱和管道使用的最高壁温≤550℃，12Cr1MoV用作受热面管子使用的最高壁温≤580℃，用作集箱和管道使用的最高壁温≤565℃，可见两种材料的使用条件差别不大。GB 5310规定的两种材料的化学成分和力学性能分别见表3和表4。

表3 15CrMo和12Cr1MoV的化学成分（质量分数）/%

表4 15CrMo和12Cr1MoV钢管的力学性能

GB 5310中规定15CrMo的显微组织应为铁素体+珠光体，允许存在粒状贝氏体；12Cr1MoV的显微组织应为铁素体+粒状贝氏体或铁素体+珠光体或铁素体+粒状贝氏体+珠光体，允许存在索氏体。图6为15CrMo和12Cr1MoV的显微组织图。在电站锅炉现场金相检测中，铁素体+粒状贝氏体的组织常见于12Cr1MoV的主汽管弯头部位，见图7，出现贝氏体时，部件硬度偏高，硬度检测此处里氏硬度值为567。焊接接头的金相组织与20G相似，常见组织形态为铁素体+贝氏体，在此不再赘述。

图6 15CrMo和12Cr1MoV的显微组织

图7 12Cr1MoV弯头显微组织（铁素体+粒状贝氏体）

15CrMo和12Cr1MoV与20G一样会发生珠光体球化现象，但是由于Cr和Mo元素的存在阻止了石墨化的发生。珠光体球化分别依据DL/T 787—2001《火力发电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准》和DL/T 773—2001《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》进行评级，与20G一样球化级别分为5级，12Cr1MoV的贝氏体老化评级也依据上述标准。图8为15CrMo珠光体球化的显微组织。

图8 15CrMo珠光体球化4.5级显微组织（珠光体区域接近消失）

3 P91

P91钢广泛用于火电厂主蒸汽管道、再热蒸汽管道等重要高温承压部件，它是在P9的基础上通过降低含碳量，同时添加合金元素V、Nb并控制N含量开发出来的改良型9Cr-1Mo高强度马氏体耐热钢。其强化机理主要有固溶强化、碳化物弥散强化、析出强化、位错和亚结构强化以及马氏体强化等[4]。P91用作集箱和蒸汽管道使用的最高壁温≤600℃[5]，ASME SA-335中规定P91的化学成分和力学性能分别见表5和表6。

表5 P91的化学成分（质量分数）/%

表6 P91的力学性能

P91钢的正常的金相组织一般为回火马氏体，也可能出现回火索氏体，见图9，其焊接接头的焊缝及热影响区组织与母材类似。P91钢的异常组织的表现为马氏体板条束位向不明显及δ-铁素体含量超标等。

图9 P91钢的金相组织

P91钢在高温高压下运行也会出现老化现象，P91钢的老化依据DL/T 884—2004《火电厂金相检验与评定技术导则》非珠光体钢的组织老化评定，根据晶内碳化物的析出、晶界碳化物的聚集，以及马氏体位向的分散情况，将P91的老化情况分为5级，1级未老化，5级严重老化，见图10，P91钢4级老化显微组织，晶内碳化物粒子数量很少，马氏体位向已严重分散。

图10 P91钢老化4级显微组织

4 结束语

电站锅炉作为重要的能源转化设备，其安全、稳定地运行有着重大的社会意义。金相检测是电站锅炉的一种重要金属监督手段，准确地分析出金属材料的组织并给予老化评级，对于了解锅炉金属材料的劣化状况以及是否能安全运行到下一检测周期起着重要作用。电站锅炉材料多样、运行状况各异，进一步的积累金相检测的相关经验并且开展相关的课题研究尤为重要。

[1] 张彦超.T91钢金属监督基础研究[D].石家庄：河北科技大学，2009.

[2] 李兵，胡华勇，雷胜军.10CrMo910钢球化加速特点及恢复热处理工艺的研究[J].湖南电力，2002(03)：15-17.

[3] 史伟，杨莉，张君，等.20G钢石墨化成因及其对力学性能的影响[J].热处理技术与装备，2013，34(03)：24-26.

[4] 廖景娱.金属构件失效分析[M].北京：化学工业出版社，2011.

[5] 刘保国，杨必应.电站锅炉几种常见钢材的金相组织分析[J].轻工科技，2009，25(05)：18-19.