河南省锅炉压力容器安全检测研究院 郭志强 胡越峰

金相检验在锅炉定期检验中的应用

河南省锅炉压力容器安全检测研究院 郭志强 胡越峰

锅炉部件的钢材长期在高温应力条件下使用，其内部组织会发生明显的变化，随着组织的变化，钢材的性能也会改变。其变化程度及速度与原始材料的组织成分、使用的温度和应力以及使用时间等因素有关。在锅炉的使用过程中，随着锅炉服役期的延长，珠光体球化、石墨化、蠕变、回火脆化等导致失效的金属组织变化都会逐渐出现。近年来，随着锅炉参数的不断提高，对锅炉质量和所用金属材料的要求越来越高。因此，根据设备的服役年限和具体使用状况，在定期检验工作中采用金相检验的方法确定锅炉的材质状况是十分必要的。金相检验根据有关规定和标准来评价金属材料质量的一种常规检验方法，并且可以用来判断设备零件的生产工艺是否完善，有利于寻找零件产生缺陷的原因。因此，金相检验是保证产品质量的重要手段。本文，笔者主要对锅炉检验中的金相检验进行详细总结。

一、金相检验原理

金相检验是一种无损检验技术，在被检对象不破坏的前提下能够检验金属部件的微观组织的状态和分布情况，并且判断设备安装质量、金属材料的制造质量和组织性能的变化情况，以及判断老化部件的蠕变损伤程度。其操作是采用将预制的复型材料与金相试样贴合的方法，取得金属部件微观组织形貌的复型。具体过程为先用溶剂将已经制备好的复膜软化，使其具有一定的流动性，然后使金属面与复膜片相连接，并加压使复膜面材料能够流动，使的充满在磨面图像的浮雕之间，然后复印出金相图像。

二、锅炉现场金相检验的应用实例

1.金相检验在电站锅炉高温再热器管检验中的应用。电站锅炉高温再热器管随着设备运行时间的不断增加，金属材料内的金相组织会发生球化，通过对金相组织图的观察，可以大致计算出球化的速率，可以进一步对高温再热器部件进行寿命评估。例如：某发电厂锅炉高温再热器管使用的材料是12Cr1MoV，入口段的工作温度为323℃，出口段的工作温度为540℃，再热器管蒸汽压力为2.65MPa，运行时间接近10万h，在长期高温环境下运行，金属材料状况必然会发生变化，作为电站锅炉关键部件的高温再热器管的安全运行可靠程度明显降低。因此，必须对该锅炉高温再加热器管道进行金相检验。12Cr1MoV钢正常的金相组织特征：晶粒内有不规则且方向明显的片状贝氏体组织，碳化物颗粒细小且独立的分布在晶体内及晶界。而该电厂锅炉的高温再热器管金相组织中的贝氏体位向基本已经消失，晶粒粗化且贝氏体已经分散，大部分碳化物已经分布在铁素体晶界上，仅有少量贝氏体区域的痕迹，材质劣化现象已较为明显。对照《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》（DL/T773-2001），该再热器管材质可评定为4级完全球化。检验机构在对锅炉高温再加热器管的金相检验基础上，对该电厂锅炉再热器管工作状况及剩余寿命进行综合评估，以确定该锅炉高温再热器部件能够继续使用的年限。

2.金相检验在锅炉过热器检验中的应用。某厂锅炉的过热器发生爆裂事件，其使用的材质是12Cr1MoV。通过对截取的过热器管进行金相检验，金相组织显示：材质内部的基本组织除了个别区域以外，珠光体组织已基本消失，对照《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》（DL/T773-2001），球化级别为4～5级。在铁元素的晶界内发现不均匀的分布这细小的碳化物颗粒。晶体的内部分布有微粒析出物。由于管子表面长期处于平面的应力作用下，另外因为表面的氧化作用使管道各点的受力逐渐增加，长期运行的结果就会使一些位错在外力作用下的晶粒向晶界内移动，使空位推向晶界，从而形成极细小的微孔洞。最终，在相对薄弱的部位发生爆裂。

3.金相检验在工业锅炉检验中的应用。检验员在对某厂一台工业锅炉进行定期检验过程中，发现锅筒底部正中有一处鼓包，鼓包部位距前管板660mm，呈椭圆形，尺寸为300mm× 600mm，高度18mm，经过宏观检查和表面无损检测未发现表面裂纹，经过变形部位和锅筒正常部位硬度值的比对，显示硬度值无异常。根据检验结果，对照《锅炉定期检验规则》第19条第3款“承压部件的变形不超过下述规定时可予以保留监控，变形超过规定时一般应进行修理（复位、挖补、更换）：（1）筒体变形高度不超过原直径的1.5%，且不大于20mm；”的规定，可以仅仅对该处缺陷进行监控而不做其他处理。但为了更加准确地判定该台锅炉的安全状况，检验员决定在不破坏锅筒的前提下对其进行金相检验。通过对鼓包起始点和最高点处复膜金相检验，得出了如下结论。由图1可以看出在鼓包起始点的金相组织主要是珠光体+铁素体，晶体内没有明显的碳化物生成，即球化程度较轻，参照《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》（DL/T 674-1999）可评为3级球化。图2锅炉鼓包最高点处的金相组织也为珠光体+铁素体，但是珠光体里的碳化物已经扩展到晶界，并发生严重球化，被评为5级球化。从分析情况可以判定锅炉鼓包处的材质已经严重球化，不能简单地监控使用，更不能再继续运行，否则鼓包处将发生开裂，导致事故发生。该处鼓包缺陷的修理也不能使用千斤顶把鼓包直接顶回原位，而必须采取挖补或更换的补救措施。

图 1 锅炉鼓包起始点复膜金相

图 2 锅炉鼓包最高点复膜金相

4.金相检验在锅炉水冷壁管道爆裂检验中的应用。某单位使用SHL10-13A型锅炉在运行7年以后，水冷壁管产生爆裂现象。爆裂部位在后水冷壁管左起第五根弯头处，与爆裂管相邻的所有管未发现胀粗等异常现象。该水冷壁管采Φ51mm×5mm的20钢管制成。对其爆裂处进行宏观检验，化学成分分析，以及金相检验。在爆裂破口、远离破口、破口对应的外弯处以及备料管上截取金相试样，金相显微镜下观察，发现破口处显微组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度按GB6394-1986《金属平均晶粒度测定方法》评为8级，如图3所示。破口处的显微镜组织经放大后，观察到的珠光体己被球化。球状碳化物沿铁素体晶界聚集并且呈链状分布，珠光体球化级别评为5级，如图4所示。同时还观察到沿晶界出现的蠕变微裂纹，特别是在晶粒结合处的蠕变微裂纹非常明显，图5的黑色部分就是蠕变微裂纹。从金相检验的结果可以得出，备料管及远离破口处的水冷壁管显微组织均为铁素体+片状珠光体，这表明备料管及远离破口处的水冷壁管显微组织是相同的，均为正常组织。在破口处及外弯处的显微组织均为铁素体+沿晶且呈链状分布的球状碳化物。结果表明，锅炉水冷管的爆裂处显微组织发生了变化，晶界有明显的碳化物聚集，并且具有典型的蠕变微裂纹。这些都是长期超温的显微组织特征，从而判定水冷壁管道爆裂是因为长期在超温状态运行造成的。

图 3 破口处显微组织：100×4%的硝酸酒精溶液侵蚀

图 4 破口处显微组织：500×4%的硝酸酒精溶液侵蚀

图 5 破口出的蠕变微裂纹：500×4%的硝酸酒精溶液侵蚀

综上，金相检验技术是保证锅炉安全运行的一种重要检验手段。在锅炉制造、安装、运行、检修和管理方面存在的问题，以及长期在高温、高压、冲蚀、腐蚀的恶劣条件下存在老化等原因，致使锅炉产生裂纹、鼓包，从而导致锅炉爆漏损坏，造成频繁的停炉，其次数往往要高于其他设备。这就需要对其材质的焊接处进行现场金相检验分析或者实验室内的金相组织分析，配合相关的力学性能试验、超声测厚、化学成分分析等手段，用科学的方法和准确的数字和图片来分析失效的原因，表征损坏部位的失效程度，为检验人员提供正确的处理意见以及科学的依据。从而使锅炉检验工作由宏观检验进入微观检验，使检验技术水平达到一个新的水平。