河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 郭志強(qiáng) 胡越峰

金相檢驗(yàn)在鍋爐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用

河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院 郭志強(qiáng) 胡越峰

鍋爐部件的鋼材長期在高溫應(yīng)力條件下使用，其內(nèi)部組織會發(fā)生明顯的變化，隨著組織的變化，鋼材的性能也會改變。其變化程度及速度與原始材料的組織成分、使用的溫度和應(yīng)力以及使用時間等因素有關(guān)。在鍋爐的使用過程中，隨著鍋爐服役期的延長，珠光體球化、石墨化、蠕變、回火脆化等導(dǎo)致失效的金屬組織變化都會逐漸出現(xiàn)。近年來，隨著鍋爐參數(shù)的不斷提高，對鍋爐質(zhì)量和所用金屬材料的要求越來越高。因此，根據(jù)設(shè)備的服役年限和具體使用狀況，在定期檢驗(yàn)工作中采用金相檢驗(yàn)的方法確定鍋爐的材質(zhì)狀況是十分必要的。金相檢驗(yàn)根據(jù)有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)來評價金屬材料質(zhì)量的一種常規(guī)檢驗(yàn)方法，并且可以用來判斷設(shè)備零件的生產(chǎn)工藝是否完善，有利于尋找零件產(chǎn)生缺陷的原因。因此，金相檢驗(yàn)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。本文，筆者主要對鍋爐檢驗(yàn)中的金相檢驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)。

一、金相檢驗(yàn)原理

金相檢驗(yàn)是一種無損檢驗(yàn)技術(shù)，在被檢對象不破壞的前提下能夠檢驗(yàn)金屬部件的微觀組織的狀態(tài)和分布情況，并且判斷設(shè)備安裝質(zhì)量、金屬材料的制造質(zhì)量和組織性能的變化情況，以及判斷老化部件的蠕變損傷程度。其操作是采用將預(yù)制的復(fù)型材料與金相試樣貼合的方法，取得金屬部件微觀組織形貌的復(fù)型。具體過程為先用溶劑將已經(jīng)制備好的復(fù)膜軟化，使其具有一定的流動性，然后使金屬面與復(fù)膜片相連接，并加壓使復(fù)膜面材料能夠流動，使的充滿在磨面圖像的浮雕之間，然后復(fù)印出金相圖像。

二、鍋爐現(xiàn)場金相檢驗(yàn)的應(yīng)用實(shí)例

1.金相檢驗(yàn)在電站鍋爐高溫再熱器管檢驗(yàn)中的應(yīng)用。電站鍋爐高溫再熱器管隨著設(shè)備運(yùn)行時間的不斷增加，金屬材料內(nèi)的金相組織會發(fā)生球化，通過對金相組織圖的觀察，可以大致計算出球化的速率，可以進(jìn)一步對高溫再熱器部件進(jìn)行壽命評估。例如：某發(fā)電廠鍋爐高溫再熱器管使用的材料是12Cr1MoV，入口段的工作溫度為323℃，出口段的工作溫度為540℃，再熱器管蒸汽壓力為2.65MPa，運(yùn)行時間接近10萬h，在長期高溫環(huán)境下運(yùn)行，金屬材料狀況必然會發(fā)生變化，作為電站鍋爐關(guān)鍵部件的高溫再熱器管的安全運(yùn)行可靠程度明顯降低。因此，必須對該鍋爐高溫再加熱器管道進(jìn)行金相檢驗(yàn)。12Cr1MoV鋼正常的金相組織特征：晶粒內(nèi)有不規(guī)則且方向明顯的片狀貝氏體組織，碳化物顆粒細(xì)小且獨(dú)立的分布在晶體內(nèi)及晶界。而該電廠鍋爐的高溫再熱器管金相組織中的貝氏體位向基本已經(jīng)消失，晶粒粗化且貝氏體已經(jīng)分散，大部分碳化物已經(jīng)分布在鐵素體晶界上，僅有少量貝氏體區(qū)域的痕跡，材質(zhì)劣化現(xiàn)象已較為明顯。對照《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T773-2001），該再熱器管材質(zhì)可評定為4級完全球化。檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)在對鍋爐高溫再加熱器管的金相檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，對該電廠鍋爐再熱器管工作狀況及剩余壽命進(jìn)行綜合評估，以確定該鍋爐高溫再熱器部件能夠繼續(xù)使用的年限。

2.金相檢驗(yàn)在鍋爐過熱器檢驗(yàn)中的應(yīng)用。某廠鍋爐的過熱器發(fā)生爆裂事件，其使用的材質(zhì)是12Cr1MoV。通過對截取的過熱器管進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相組織顯示：材質(zhì)內(nèi)部的基本組織除了個別區(qū)域以外，珠光體組織已基本消失，對照《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評級標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T773-2001），球化級別為4～5級。在鐵元素的晶界內(nèi)發(fā)現(xiàn)不均勻的分布這細(xì)小的碳化物顆粒。晶體的內(nèi)部分布有微粒析出物。由于管子表面長期處于平面的應(yīng)力作用下，另外因?yàn)楸砻娴难趸饔檬构艿栏鼽c(diǎn)的受力逐漸增加，長期運(yùn)行的結(jié)果就會使一些位錯在外力作用下的晶粒向晶界內(nèi)移動，使空位推向晶界，從而形成極細(xì)小的微孔洞。最終，在相對薄弱的部位發(fā)生爆裂。

3.金相檢驗(yàn)在工業(yè)鍋爐檢驗(yàn)中的應(yīng)用。檢驗(yàn)員在對某廠一臺工業(yè)鍋爐進(jìn)行定期檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)鍋筒底部正中有一處鼓包，鼓包部位距前管板660mm，呈橢圓形，尺寸為300mm× 600mm，高度18mm，經(jīng)過宏觀檢查和表面無損檢測未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，經(jīng)過變形部位和鍋筒正常部位硬度值的比對，顯示硬度值無異常。根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，對照《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》第19條第3款“承壓部件的變形不超過下述規(guī)定時可予以保留監(jiān)控，變形超過規(guī)定時一般應(yīng)進(jìn)行修理（復(fù)位、挖補(bǔ)、更換）：（1）筒體變形高度不超過原直徑的1.5%，且不大于20mm；”的規(guī)定，可以僅僅對該處缺陷進(jìn)行監(jiān)控而不做其他處理。但為了更加準(zhǔn)確地判定該臺鍋爐的安全狀況，檢驗(yàn)員決定在不破壞鍋筒的前提下對其進(jìn)行金相檢驗(yàn)。通過對鼓包起始點(diǎn)和最高點(diǎn)處復(fù)膜金相檢驗(yàn)，得出了如下結(jié)論。由圖1可以看出在鼓包起始點(diǎn)的金相組織主要是珠光體+鐵素體，晶體內(nèi)沒有明顯的碳化物生成，即球化程度較輕，參照《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T 674-1999）可評為3級球化。圖2鍋爐鼓包最高點(diǎn)處的金相組織也為珠光體+鐵素體，但是珠光體里的碳化物已經(jīng)擴(kuò)展到晶界，并發(fā)生嚴(yán)重球化，被評為5級球化。從分析情況可以判定鍋爐鼓包處的材質(zhì)已經(jīng)嚴(yán)重球化，不能簡單地監(jiān)控使用，更不能再繼續(xù)運(yùn)行，否則鼓包處將發(fā)生開裂，導(dǎo)致事故發(fā)生。該處鼓包缺陷的修理也不能使用千斤頂把鼓包直接頂回原位，而必須采取挖補(bǔ)或更換的補(bǔ)救措施。

圖 1 鍋爐鼓包起始點(diǎn)復(fù)膜金相

圖 2 鍋爐鼓包最高點(diǎn)復(fù)膜金相

4.金相檢驗(yàn)在鍋爐水冷壁管道爆裂檢驗(yàn)中的應(yīng)用。某單位使用SHL10-13A型鍋爐在運(yùn)行7年以后，水冷壁管產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象。爆裂部位在后水冷壁管左起第五根彎頭處，與爆裂管相鄰的所有管未發(fā)現(xiàn)脹粗等異?，F(xiàn)象。該水冷壁管采Φ51mm×5mm的20鋼管制成。對其爆裂處進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，化學(xué)成分分析，以及金相檢驗(yàn)。在爆裂破口、遠(yuǎn)離破口、破口對應(yīng)的外彎處以及備料管上截取金相試樣，金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)破口處顯微組織為鐵素體+珠光體，鐵素體晶粒度按GB6394-1986《金屬平均晶粒度測定方法》評為8級，如圖3所示。破口處的顯微鏡組織經(jīng)放大后，觀察到的珠光體己被球化。球狀碳化物沿鐵素體晶界聚集并且呈鏈狀分布，珠光體球化級別評為5級，如圖4所示。同時還觀察到沿晶界出現(xiàn)的蠕變微裂紋，特別是在晶粒結(jié)合處的蠕變微裂紋非常明顯，圖5的黑色部分就是蠕變微裂紋。從金相檢驗(yàn)的結(jié)果可以得出，備料管及遠(yuǎn)離破口處的水冷壁管顯微組織均為鐵素體+片狀珠光體，這表明備料管及遠(yuǎn)離破口處的水冷壁管顯微組織是相同的，均為正常組織。在破口處及外彎處的顯微組織均為鐵素體+沿晶且呈鏈狀分布的球狀碳化物。結(jié)果表明，鍋爐水冷管的爆裂處顯微組織發(fā)生了變化，晶界有明顯的碳化物聚集，并且具有典型的蠕變微裂紋。這些都是長期超溫的顯微組織特征，從而判定水冷壁管道爆裂是因?yàn)殚L期在超溫狀態(tài)運(yùn)行造成的。

圖 3 破口處顯微組織：100×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

圖 4 破口處顯微組織：500×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

圖 5 破口出的蠕變微裂紋：500×4%的硝酸酒精溶液侵蝕

綜上，金相檢驗(yàn)技術(shù)是保證鍋爐安全運(yùn)行的一種重要檢驗(yàn)手段。在鍋爐制造、安裝、運(yùn)行、檢修和管理方面存在的問題，以及長期在高溫、高壓、沖蝕、腐蝕的惡劣條件下存在老化等原因，致使鍋爐產(chǎn)生裂紋、鼓包，從而導(dǎo)致鍋爐爆漏損壞，造成頻繁的停爐，其次數(shù)往往要高于其他設(shè)備。這就需要對其材質(zhì)的焊接處進(jìn)行現(xiàn)場金相檢驗(yàn)分析或者實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的金相組織分析，配合相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn)、超聲測厚、化學(xué)成分分析等手段，用科學(xué)的方法和準(zhǔn)確的數(shù)字和圖片來分析失效的原因，表征損壞部位的失效程度，為檢驗(yàn)人員提供正確的處理意見以及科學(xué)的依據(jù)。從而使鍋爐檢驗(yàn)工作由宏觀檢驗(yàn)進(jìn)入微觀檢驗(yàn)，使檢驗(yàn)技術(shù)水平達(dá)到一個新的水平。