电站锅炉常用的金属材料金相检测研究

蔺超 肖伟

摘 要：电站锅炉是发电厂中重要的设备，其工作环境复杂，对金属材料的性能要求较高。而金相检测是一种常用的金属材料性能评估方法，通过分析材料的显微组织，全面分析材料相组成、晶粒尺寸、硬度等信息。基于此，针对电站锅炉中常用的金属材料进行金相检测研究，收集电站锅炉中常见的金属材料样品，如碳钢、合金钢、不锈钢等，再采用金相显微镜观察这些样品。观察结果表明，不同金属材料的显微组织存在明显差异，碳钢主要由铁素体和珠光体组成，而合金钢中含有大量的马氏体相，不锈钢具有较为均匀的奥氏体相。此外，在金相检测过程中，对样品硬度进行测试，发现不同金属材料的硬度存在差异，与其显微组织特征相关，碳钢硬度较低，合金钢和不锈钢硬度较高。

关键词：电站锅炉   金属材料   金相检测   性能评估方法

中图分类号：TM62

Research on the Metallographic Examination of Common Metal Materials in Utility Boilers

LIN Chao  XIAO Wei

Baoji Quality and Technology Inspection and Testing Center，  Baoji，  Shaanxi Province， 721014 China

Abstract： A power station boiler is an important facility in a power plant， and its working environment is complex， which requires high performance of metal materials. Metallographic detection is a common method to evaluate the performance of metal materials， which comprehensively analyzes information such as the phase composition， grain size and hardness of materials by analyzing their microstructures. Based on this， this paper studies the metallographic examination of common metal materials in utility boilers， collects the samples of common metal materials in utility boilers， such as carbon steel， alloy steel and stainless steel， and then observes these samples by a metallographic microscope. Observation results show that the microstructure of different metal materials is obviously different： carbon steel is mainly composed of ferrite and pearlite， alloy steel contains a large number of martensite phases， and stainless steel has a relatively uniform austenite phase. In addition， in the process of metallographic examination， this paper tests the hardness of these samples， and finds that the hardness of different metal materials is different， which is related to the characteristics of their microstructure： the hardness of carbon steel is low， and the hardness of alloy steel and stainless steel is high.

Key Words： Utility boiler; Metal material; Metallographic detection; Performance evaluation method

电站锅炉是发电厂中重要的设备，其正常运行对于电力供应至关重要。而锅炉的金属材料在高温高压环境下承受巨大的热载荷，所以对锅炉金属材料性能检测显得尤为重要。而金相检测是一种常用的金属材料检测方法，通过观察金属材料的组织结构，评估其质量和性能。在电站锅炉中，常用的金属材料有钢板、铸铁和不锈钢等，这些材料要经过严格的质量检测，以保证锅炉的安全可靠运行。其中钢板是电站锅炉中最常见的金属材料，具有较高的强度和耐高温性能，金相检测能分析钢板的晶粒尺寸、晶界特征、相组成、碳化物等物质，从而判断钢板的组织结构是否均匀、是否存在缺陷等问题；铸铁具有良好的耐高温性和抗腐蚀性能，金相检测分析铸铁的组织结构、晶粒尺寸、碳化物形态等，以评估其力学性能和耐磨性能；不锈钢是一种具有良好耐腐蚀性能的金属材料，常用于锅炉蒸汽管道，金相检测可以观察不锈钢的相组成、晶粒尺寸和晶界特征等，科学评估其抗腐蚀性能[1]。

1  金相检测技术概述

金相检测技术是一种常用于材料科学领域的分析方法，主要用于对金属材料的显微结构进行研究。通过该技术，能获得关于金属材料内部晶体结构、晶界分布、孪生组织、夹杂物、缺陷等信息，为材料性能和加工工艺提供重要参考。金相检测技术的基本原理是在显微镜下观察金属材料进行适当处理后的显微组织，金属材料经过切割、打磨、腐蚀等环节，以便在显微镜下观察到材料的内部结构。然后，通过显微镜下的放大和照相技术，获取高清晰度的金属显微组织图像，从而实现材料定性分析功能。

目前，金相检测技术应用范围广泛，在材料科学中，金相检测技术被广泛应用于金属材料的研究和开发过程中，用于分析不同处理条件下材料的组织演变及其与性能的关系。在金属加工工艺中，金相检测技术能用于评估金属材料的可加工性和热处理效果，帮助优化加工参数，提高产品质量。此外，金相检测技术还可以用于金属材料的质量检验分析，帮助解决金属材料在使用过程中出现的问题。同时，金相检测技术发展离不开显微镜技术，随着显微镜技术不断提升，进一步创新金相检测技术，常用金相检测技术包括光学显微镜、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope， TEM）等。这些显微镜技术能提供不同放大倍数和分辨率的图像，帮助研究人员全面分析金属材料的微观结构[2]。

2  电站锅炉的金属材料金相组织检测分析

2.1  20G常见组织

20G是一种低合金高温钢，具有良好的耐高温和耐压性能，其主要成分为碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）和铬（Cr）等元素。其中，碳元素能提高钢的强度和硬度，增加钢的脆性；硅和锰元素能提高钢的韧性，抑制碳元素的影响程度；磷和硫元素对钢的冷脆性有一定的影响，所以在生产过程中要控制其含量；铬元素能提高钢的耐氧化性能，防止钢材在高温下的氧化（如表1所示）。在锅炉安全技术规范中，明确规定20G进行锅炉受热面管子所使用的壁温应低于460 ℃，20G常见金相组织主要有珠光体、铁素体、少量渗碳体。珠光体是一种典型的等轴晶体结构，具有良好的塑性和韧性，适用于承受压力的部件。20G使用4%硝酸酒精溶液浸蚀能显示出具体的显微组织；铁素体是由细小的铁素体晶粒组成，具有较高的硬度和强度，适用于承受高温、高压的部件；渗碳体是指在铁素体晶粒内部含有一定量的碳元素，能提高钢材的硬度和耐磨性[3]。

2.2  15CrMo和12Cr1MoV

电站锅炉是发电厂中的重要设备，其工作环境苛刻，需要使用高强度、耐高温、耐腐蚀的金属材料。常见的金属材料包括15CrMo和12Cr1MoV。本文将介绍这两种材料的基本性能以及常见的金相组织[4]。15CrMo是一种低合金钢，其主要成分为C、Cr、Mo，具有较好的高温、高压强度、抗氧化性能。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较小。15CrMo和12Cr1MoV材料使用条件差异较小，两者会发生珠光体球化现象。在电站锅炉中，15CrMo常用于制造锅炉管道、弯头、法兰等部件，15CrMo金相组织主要为铁素体和少量马氏体，其中铁素体颗粒较大，整体呈红色，马氏体颗粒较小，呈白色。金相组织观察对于评估15CrMo的组织均匀性和硬度分布非常重要（如表2所示）。

2.3  P91金相组织

P91钢是一种常用的高温高压锅炉管材料，具有优异的耐高温、耐蠕变、抗氧化性能，金相组织检测是评估P91钢材料性能的重要手段，能通过观察材料的金相组织来了解其基本性能和常见组织[5]。P91钢的基本性能主要包括强度、硬度、韧性和耐蠕变性能等方面，金相组织检测能通过显微镜观察和金相显微镜图像分析来评估这些性能。一般情况下，P91钢的金相组织主要包括铁素体、贝氏体、碳化物。铁素体是一种具有良好塑性和韧性的晶体结构，对材料的强度和韧性有重要影响；贝氏体是一种强度较高且脆性较大的组织，其材料冷却速度和合金元素含量有关；碳化物是一种较硬的元素，对材料耐磨性和耐热性有重要影响（如表3所示）。

P91钢显微组织老化是以《火力发电厂用10Cr9Mo1VNbN钢显微组织老化评级》进行划分，通过分析回火马氏体组织中的马氏体位向分散 情况、碳化物分布情况，以及是否出现铁素体情况，并将P91钢老化评价分成五级，1级并未老化，5级老化中马氏体形态全部消失，组织转变为铁素体和碳化物，且晶界处碳化物显著长大，且其呈现链状分布[6]。

3 电厂锅炉金属材料氧化皮剥落失效分析

在电厂锅炉中，金属材料常常会出现氧化皮剥落的现象，这种失效会严重影响锅炉的运行安全和效率，所以对于氧化皮剥落失效进行深入分析非常重要。氧化皮剥落失效是由于金属材料表面形成一层厚度不均匀的氧化皮，这层氧化皮在锅炉运行时受到高温的作用，会发生脆性破裂，导致氧化皮剥落，不仅会损坏金属材料本身，还会引起其他设备部件的故障。氧化皮剥落失效的原因可以分为内因和外因两个方面。内因主要是金属材料的质量问题，如材料组织结构不均匀、含有夹杂物等；外因则包括锅炉运行条件不稳定、水质问题、烟气中的腐蚀物质等，这些因素会加速氧化皮的剥落[7]。

针对氧化皮剥落失效，工作人员采取以下措施进行预防。

（1）定期对金属材料进行检测和评估，包括材料的组织结构、硬度、脆性等指标。通过分析这些数据，可以判断金属材料的可靠性和寿命。

（2）加强对锅炉运行条件的监控和调整，保持稳定的温度和压力。特别是在启动和停机过程中，要注意温度和压力的变化，避免突然的温度和压力变化造成金属材料的应力集中。

（3）对水质进行定期检测和处理，避免水中含有腐蚀物质。可以采用化学水处理的方法，控制水中的溶解氧和碱度，减少金属材料的腐蚀。

（4）增加金属材料的保护层，如涂覆耐高温涂层或使用耐腐蚀合金材料。这样可以增加金属材料的耐高温和耐腐蚀性能，延长锅炉的使用寿命[8]。

4  结语

综上所述，电站锅炉是电力工业中非常重要的设备，而锅炉的金属材料在其运行过程中承受着高温、高压等极端条件，因此对于金属材料的性能评估和质量控制显得尤为重要。金相检测主要通过对金属材料样品的切割、打磨、腐蚀等处理，观察其结构和特征，进而分析材料的组织、晶粒尺寸、晶界、相变、硬度等性能指标，评估电站锅炉常用金属材料的组织结构，从而确保锅炉的安全运行。随着科技的不断进步和金相检测技术的发展，相信在未来，金相检测在电站锅炉研究中的应用会更加深入。

参考文献

[1] 柳长磊，曹海艇，胡娜娜.对电站锅炉常用金属材料金相检测及组织的研究[J].世界有色金属，2020（4）：251，253.

[2] 刘明星.电站金属材料超声相控阵检测缺陷长度定量研究[J].热加工工艺，2020，49（11）：147-149，152.

[3] 庞凯杰，彭学文，王大鑫，等.电站锅炉范围内管道无损检测及缺陷处理[J].电力与能源进展，2022，10（4）：98-104.

[4] 陈忠兵，赵轶，赵明凯，等.长时服役13MnNiMoR钢中非金属夹杂物行为及其影响[J].热力发电，2023，52（10）：25-30.

[5] 何伟明.GIS盆式绝缘子界面缺陷与热应力超声检测方法研究[D].广州：华南理工大学，2021.

[6] 熊德胜.高稳定性核壳结构吸附材料的制备及其对核素吸附性能的研究[D].长春：吉林大学，2023.

[7] 韩庆怡，邵明政，张丁丁，等.基于DNA功能化金属有机框架材料的荧光探针对瓣状核酸内切酶1的检测和成像研究[J].分析化学， 2023， 51 （1）： 53-68.

[8] 鲁聪，李振华，刘金露，等.一种新的镧系金属有机骨架材料的合成、结构及荧光检测性质[J]. 高等学校化学学报，2022，43 （6）： 68-76.