龐世剛

（內(nèi)蒙古自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院包頭分院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，火力發(fā)電對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用，隨著電力需求的加快增長(zhǎng)，火力發(fā)電機(jī)組向大容量超臨界燃煤機(jī)組發(fā)展。發(fā)電設(shè)備技術(shù)安全性要求更高，電站鍋爐安全可靠運(yùn)行對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。鍋爐長(zhǎng)期運(yùn)行中承壓部件出現(xiàn)損傷，參數(shù)波動(dòng)大的鍋爐損傷嚴(yán)重。電站鍋爐部件在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行，部件材料顯微組織隨著時(shí)間會(huì)產(chǎn)生劣化導(dǎo)致力學(xué)性能降低，部件材料強(qiáng)度等性能逐漸降低對(duì)鍋爐安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。電站鍋爐金屬部件常見(jiàn)顯微組織劣化特征包括石墨化、珠光體球化等，金相檢測(cè)是研究金屬材料顯微組織是否產(chǎn)生變化的重要手段。不同運(yùn)行參數(shù)下電站鍋爐的內(nèi)部檢驗(yàn)按照《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》（TSG11-2020）技術(shù)規(guī)范，對(duì)需要進(jìn)行金相檢測(cè)的部件給出了明確要求，必須嚴(yán)格執(zhí)行。電廠鍋爐金相檢測(cè)分為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和取樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，金相檢測(cè)主要目的是通過(guò)微觀組織分析來(lái)判斷鍋爐部件材質(zhì)是否發(fā)生劣化，并依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)判定部件材質(zhì)劣化的等級(jí)，從而給在用電站鍋爐能否安全使用到下一檢驗(yàn)周期提出建議和解決辦法。

1 電站鍋爐金屬材料檢測(cè)分析

電力工業(yè)是重要的能源工業(yè)，隨著我國(guó)電力工業(yè)技術(shù)水平的提高，火電核電等得到了迅速的發(fā)展?；鹆Πl(fā)電是我國(guó)主要電力生產(chǎn)方式，電站鍋爐是火力發(fā)電的主要設(shè)備。隨著大容量機(jī)組投入運(yùn)行，鍋爐受熱面運(yùn)行工況更加嚴(yán)苛。電站鍋爐大量使用高含灰量的劣質(zhì)煤，鍋爐受熱面飛灰磨損問(wèn)題日益嚴(yán)重，鍋爐管道爆管現(xiàn)象頻繁發(fā)生對(duì)電廠造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。金相檢測(cè)是通過(guò)金屬材料微觀組織分析來(lái)科學(xué)判斷其力學(xué)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)鍋爐各部件金相檢測(cè)要求提出基礎(chǔ)指標(biāo)，電站鍋爐用部件材質(zhì)的金相檢測(cè)內(nèi)容包括石墨化程度、珠光體球化程度等。

超臨界壓力直流鍋爐采用全鋼架懸吊單爐膛結(jié)構(gòu)，鍋爐采用超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行方式，爐膛四周下半部分采用螺旋管圈，上半部分為垂直管圈節(jié)距，超臨界鍋爐高溫受熱面主要是過(guò)熱器，高溫受熱面末端部分必須用高等級(jí)的高合金鋼材料，管道工作溫度設(shè)計(jì)接近許用極限溫度范圍，管壁厚度可能因調(diào)整不及時(shí)發(fā)生局部超溫。超臨界機(jī)組參數(shù)提高對(duì)金屬材料使用提出更高的要求，要具有承受高壓力的強(qiáng)度，減少金屬部件的壁厚降低導(dǎo)熱系數(shù)減少熱應(yīng)力，克服不同金屬材料間膨脹過(guò)大引起的機(jī)械熱應(yīng)力。超臨界鍋爐連接管道承受高壓蒸汽造成高溫蠕變應(yīng)力，厚壁元件要承受低周疲勞應(yīng)力，鍋爐管外受高溫?zé)煔飧g磨損，根據(jù)電站鍋爐各種部件工作環(huán)境的不同選擇合適的金屬材料是保證機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了提高燃煤發(fā)電機(jī)組效率，通常采用提高主蒸汽參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。超臨界機(jī)組高溫受熱面工作環(huán)境惡劣，電站鍋爐高溫受熱面材料經(jīng)歷了從珠光體耐熱鋼到奧氏體鋼的發(fā)展過(guò)程。

電站鍋爐是電站的重要主機(jī)，所處環(huán)境工況惡劣，通過(guò)合理有效的無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)行質(zhì)量控制對(duì)降低鍋爐事故率具有重要意義。電站鍋爐無(wú)損檢測(cè)方法有很多，常用的射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)是焊接接頭埋藏缺陷檢測(cè)的最有效手段，磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)電站鍋爐部件用金屬材質(zhì)近表面和表面缺陷的有效手段，但它們無(wú)法對(duì)金屬材料的力學(xué)性能、微觀組織劣化等給出評(píng)定。要想真實(shí)了解金屬材料的微觀組織及微觀組織對(duì)力學(xué)性能的影響，金相檢測(cè)成了目前使用最廣泛且檢測(cè)結(jié)果最直觀的方法。鍋爐設(shè)計(jì)制造施工及內(nèi)部檢驗(yàn)中需要通過(guò)非破壞性措施發(fā)現(xiàn)安全隱患，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在質(zhì)量控制中發(fā)揮重要的作用。檢驗(yàn)電站鍋爐金屬部件微觀制造狀態(tài)，判斷金屬材料制造質(zhì)量和使用中組織性能的變化是國(guó)際通用的實(shí)驗(yàn)方法，在大容量、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行溫度高的電站鍋爐機(jī)組關(guān)鍵部件中起到了重要的作用，對(duì)保障機(jī)組安全具有重要意義。

2 電站鍋爐常用金屬材料金相組織檢測(cè)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)新建發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大?；鹆Πl(fā)電是我國(guó)主要的能源供應(yīng)方式，電站鍋爐作為火電廠核心設(shè)備，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的作用。鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行等研究隨著鍋爐技術(shù)的發(fā)展逐步深入，現(xiàn)代鍋爐向大容量高參數(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)鍋爐以超高壓鍋爐為主，高溫高壓下采用新材料、新工藝能否達(dá)到預(yù)期壽命需要長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐驗(yàn)證?！跺仩t安全技術(shù)規(guī)程》（TSG11-2020）技術(shù)規(guī)范根據(jù)鍋爐運(yùn)行時(shí)間、工作溫度、使用金屬材質(zhì)等對(duì)金相檢測(cè)部件、金相檢測(cè)位置（包括母材、熱影響區(qū)及焊縫）、金相檢測(cè)比例都有明確規(guī)定，一般是以運(yùn)行5萬(wàn)小時(shí)內(nèi)、運(yùn)行5萬(wàn)～10萬(wàn)小時(shí)、運(yùn)行大于10 萬(wàn)小時(shí)來(lái)劃分的，金相檢測(cè)隨運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短累加檢測(cè)比例。

2.1 20G 常見(jiàn)組織

20G 是鍋爐用碳素鋼為低碳鋼，表1 為20G 的化學(xué)成分?！跺仩t安全技術(shù)規(guī)程》（TSG11-2020）規(guī)定20G用于鍋爐受熱面管子其使用壁溫應(yīng)≤460℃。20G 成品鋼管顯微組織為鐵素體加珠光體，珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，20G 使用4%硝酸酒精溶液浸蝕能顯示其顯微組織，鐵素體呈現(xiàn)白色多邊形、珠光體呈現(xiàn)黑白相間的片狀結(jié)構(gòu)。電站鍋爐金相檢測(cè)常涉及焊接接頭的金相檢驗(yàn)，焊接接頭經(jīng)歷凝固結(jié)晶和固態(tài)相變，冷卻速度快時(shí)會(huì)出現(xiàn)貝氏體組織。焊縫熱影響區(qū)是焊接時(shí)不同于峰值熱循環(huán)作用下形成的系列連續(xù)變化梯度組織區(qū)域，手工電弧焊熱影響區(qū)域?qū)挾仍? ～8.5mm，焊接熱影響區(qū)包括粗晶粒區(qū)和部分相變區(qū)。

表1 20G 的化學(xué)成分%

通過(guò)分析焊接接頭各個(gè)區(qū)域的金相組織，能進(jìn)一步了解焊縫的力學(xué)性能，焊接參數(shù)選用不當(dāng)時(shí)，焊接頭出現(xiàn)異常組織劣化，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能下降。20G 在長(zhǎng)期服役后發(fā)生材質(zhì)劣化特征有珠光體球化現(xiàn)象、石墨化現(xiàn)象。珠光體是鐵素體和滲碳體交替重疊層片狀機(jī)械混合物，層片狀組織的表面積與體積之比較球狀組織大，層片狀組織具有的表面能較高，能量高的層片狀組織不穩(wěn)定通過(guò)組織結(jié)構(gòu)形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫陀械湍芰康那驙罱M織。因此，長(zhǎng)期在高溫下使用的層片狀珠光體的碳化物會(huì)向球狀轉(zhuǎn)變，小顆粒的滲碳體聚集成較大的小球來(lái)減小表面能大道組織穩(wěn)定性。

2.2 15CrMo 和12Cr1MoV

15CrMo 和12Cr1MoV 加 入 了Cr、Mo 元 素 可 提 高金屬?gòu)?qiáng)度，表2 為15CrMo 和12Cr1MoV 鋼管的力學(xué)性能。15CrMo 和12Cr1MoV 不會(huì)因發(fā)生石墨化引起材質(zhì)劣化，15CrMo 用作受熱面管子使用最高壁溫為560℃，12Cr1MoV 用作受熱面管子使用最高壁溫為580℃，兩種材料使用條件差異小，15CrMo 和12Cr1MoV 會(huì)發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象。15CrMo 和12Cr1MoV 管子常用于制作電站鍋爐主蒸汽管道、集汽集箱、高過(guò)集箱等部件，這些部件在溫度大于450℃下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致其顯微組織產(chǎn)生變化，因此對(duì)這些部件重點(diǎn)進(jìn)行金屬監(jiān)督是必要的，金相檢測(cè)手段是目前最可靠的辦法。15CrMo 顯微組織應(yīng)為鐵素體+珠光體，15CrMo 珠光體球化依據(jù)《火電廠用15CrMo 鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T787-2001）劃分級(jí)別。12Cr1MoV 顯微組織通常為鐵素體+珠光體、鐵素體+貝氏體+少量珠光體。電12Cr1MoV 貝氏體組織、珠光體組織的球化依據(jù)《火電廠用12Cr1MoV 鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T773-2016）劃分級(jí)別。珠光體球化和石墨化關(guān)系密切，溫度高于552℃石墨化在珠光體球化后發(fā)生。

表2 15CrMo 和 12Cr1MoV 鋼管的力學(xué)性能

2.3 P91 金相組織

P91 鋼是在原高強(qiáng)度9Cr-1Mo 鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)添加V、Nb、N 等合金元素強(qiáng)化形成的一種變質(zhì)新鋼種，屬于馬氏體耐熱鋼，其填補(bǔ)了珠光體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼在600℃到650℃溫度區(qū)域用作汽水管道新鋼種的空白。目前，P91 鋼廣泛應(yīng)用于火電廠亞臨界機(jī)組中主蒸汽、再熱蒸汽管道等重要高溫承壓部件，其最高使用溫度可達(dá)650℃。P91 鋼的強(qiáng)化機(jī)理主要包括碳化物彌散強(qiáng)化、亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化等。在ASME SA-335 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)P91化學(xué)成分和力學(xué)性能作出了明確規(guī)定，表3 為P91 鋼的力學(xué)性能。P91 鋼母材正常金相組織為回火馬氏體，焊接接頭的焊縫組織與母材類似。P91 鋼在高溫高壓下運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)顯微組織老化現(xiàn)象，顯微組織老化的基本特征為顯微組織位向形態(tài)特征變化和晶內(nèi)、晶外碳化物分布形態(tài)變化。P91 鋼顯微組織老化依據(jù)《火力發(fā)電廠用10Cr9Mo1VNbN 鋼顯微組織老化評(píng)級(jí)》（DL/T2219-2021）劃分級(jí)別，主要通過(guò)分析回火馬氏體組織中的馬氏體位向分散情況、碳化物分布情況及是否出現(xiàn)鐵素體情況等，把P91 鋼老化評(píng)級(jí)分為五級(jí)，1 級(jí)未老化，5級(jí)老化中馬氏體形態(tài)完全消失，組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+碳化物，且晶界處碳化物顯著長(zhǎng)大并呈鏈狀分布。

表3 P91 的力學(xué)性能

3 電廠鍋爐金屬材料氧化皮剝落失效分析

電站鍋爐是受火焰加熱的高溫高壓特種設(shè)備，發(fā)達(dá)國(guó)家頒布相關(guān)法規(guī)規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)施工安裝等進(jìn)行嚴(yán)格控制。超臨界電站鍋爐高溫受熱面管道頻繁發(fā)生氧化皮堵塞爆管事故，不少發(fā)電廠采取被動(dòng)應(yīng)對(duì)法，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分發(fā)電機(jī)組因氧化皮剝落堵塞管道引起安全事故造成巨大損失。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，超臨界鍋爐高溫受熱面管內(nèi)氧化皮引起爆管問(wèn)題日益突出，研究超臨界鍋爐高溫受熱面管內(nèi)氧化行為機(jī)理，提出系統(tǒng)預(yù)防氧化皮生成理論方法對(duì)確保發(fā)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

超臨界鍋爐耐高溫受熱面隨布置位置不同，蒸汽流量與管壁傳熱密切相關(guān)，蒸汽側(cè)氧化分壓力與蒸汽壓力相關(guān)，鍋爐競(jìng)技降負(fù)荷中高溫受熱面蒸汽壓力發(fā)生較大變動(dòng)。鍋爐發(fā)生超溫運(yùn)行時(shí)金屬元素向外側(cè)擴(kuò)散。超臨界鍋爐過(guò)熱器系統(tǒng)包括頂棚、分隔屏與后屏過(guò)熱器，過(guò)熱器系統(tǒng)氣溫調(diào)節(jié)采用染料調(diào)節(jié)方法，末級(jí)過(guò)熱器共82片每片受熱面有12 根管子。高溫受熱面運(yùn)行狀況對(duì)蒸汽氧化側(cè)產(chǎn)生很大影響。機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后末級(jí)過(guò)熱器發(fā)生爆管，停爐檢修發(fā)現(xiàn)爆口呈開(kāi)放狀，相應(yīng)部位未爆管末級(jí)過(guò)熱器焊口進(jìn)行RT 檢查，管道進(jìn)行割管檢查發(fā)現(xiàn)管內(nèi)被氧化皮堵塞。超臨界鍋爐高溫合金鋼在不同運(yùn)行介質(zhì)氣氛中氧化腐蝕行為不同，研究發(fā)現(xiàn)超臨界水及過(guò)熱蒸汽中金屬氧化速率不同，氧化機(jī)理基本類似。高溫蒸汽下氧化機(jī)理包括氧化氣體滲透機(jī)理、蒸汽分解機(jī)制等。

4 結(jié)語(yǔ)

電站鍋爐是重要的能源轉(zhuǎn)化設(shè)備，隨著科技水平的提高，電站鍋爐使用的金屬材料更加多樣化。金相檢測(cè)是電站鍋爐的重要金屬監(jiān)督手段，對(duì)了解鍋爐用金屬材料劣化狀況起到了至關(guān)重要的作用，電站鍋爐檢驗(yàn)人員積累金相檢測(cè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)確保鍋爐是否能安全運(yùn)行到下一個(gè)檢驗(yàn)周期非常重要。國(guó)家雖然制定了系列檢驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但在實(shí)際檢測(cè)機(jī)構(gòu)中除了根據(jù)自身檢驗(yàn)資源條件外，還要結(jié)合電站鍋爐運(yùn)行情況、日常管理等依據(jù)相應(yīng)檢驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)制定適合的檢驗(yàn)方法。通常無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是發(fā)現(xiàn)安全隱患的非破壞性方法，主要用于鍋爐部件焊接接頭內(nèi)部埋藏缺陷和表面缺陷的檢測(cè)，這對(duì)電站鍋爐設(shè)計(jì)制造安裝使用等具有重要意義。同時(shí)，隨著大型火電廠超臨界火電機(jī)組的發(fā)展，鍋爐管道發(fā)生氧化皮脫落問(wèn)題不斷增多。超臨界鍋爐高溫內(nèi)氧化皮問(wèn)題復(fù)雜，需要加強(qiáng)抗氧化材料的開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)不同材料系列的超臨界鍋爐氧化皮控制理論技術(shù)。