分享：电站锅炉珠光体铁素体耐热钢薄壁管的 现场金相检验方法

陈思思

 (咸阳市特种设备检验所,咸阳 712000) 

摘 要:对于一般的电站锅炉主蒸汽管道,管壁厚且直径大,现场金相检验易于操作。但是对于 薄壁管,尤其是高温、高压受热面,壁厚一般为3.0~4.0mm,外径一般为30~50mm,现场金相检 验制样的难度极大。如果割管取样,不仅恢复难度大,也影响设备的使用性能。因此在现场金相检 验的基础上,研究了一种针对电站锅炉高温受热面(珠光体铁素体耐热钢薄壁)管的金相检验方法。 结果表明:使用便携式金相显微镜,利用该方法得到的显微组织形貌较清晰,分析结果准确、可靠。 该方法不仅优化了检验环节,而且缩短了检验时间、提高了企业的经济效益,同时也避免了割管的 损伤,解决了薄壁管焊接恢复难的问题。

 关键词:电站锅炉;受热面;薄壁管;现场金相检验;便携式金相显微镜 中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)01-0025-04

随着金相显微镜技术的不断发展及设备的不断 完善,如今的金相显微镜比早期的金相显微镜在成 像、光源方面有了进一步的发展,因此金相显微镜在 金属材料的组织检测中发挥了重要的作用。尤其是 便携式金相显微镜的迅速发展,极大地规避了以往 现场取样的弊端,而且随着图像捕捉及处理技术的 更新换代,现在只需将显微镜与平板电脑连接就可 观察到清晰的显微组织形貌。 电站锅炉管道的所有受热面,长期处于高温、高压环境下,受热面金属的显微组织随着锅炉运行时 间的增加会发生变化,如碳化物的析出、聚集、球化 和新相的析出等[1-2]。金相检验可以为了解材料的 显微组织变化情况提供依据,因此 TSG G7002- 2015《锅炉定期检验规则》中规定,要对电站锅炉主 蒸汽管道及高温过热器管抽样进行金相检验。 便携式金相显微镜被广泛应用在主蒸汽管道的 现场金相检验中,其操作方法已经很成熟,但由于高 温过热器管的管壁很薄,稍有不慎就会打磨过量,因 此一般都是先割管取样,然后在试验室中进行后续 检验[3]。但是,当只需做金相和硬度检验时,完全可 以通过对薄壁管的多次打磨练习,就能够在不需要 割管,且保证材料强度所需最小厚度的条件下,直接 在现场对过热器薄壁管进行金相检验。这样既避免 了对过热器管的损坏,同时克服了恢复难度大、检测 时间长以及检验成本高的弊端。 耐热钢广泛应用于动力机械、石油、化工、航天 工业等领域,如用于制造汽轮机、锅炉、航空发动机、 燃汽轮机等。珠光体铁素体耐热钢中合金元素的质 量分数不超过5%~7%,属于低合金钢,被广泛用 于生产、制造工作温度为350~670 ℃的锅炉管(过 热器管、主蒸汽管)、汽包和汽轮机的紧固件、主轴、 转子、叶轮等零件[4]。典型的合金牌号有15CrMo、 12Cr1MoV、17CrMo1V、12Cr2MoWVB 等,其典型 的热处理工艺是正火+高温回火,热处理后的组织 为铁素体+珠光体或贝氏体等。 12Cr1MoVG 钢常用于锅炉的受热面管和蒸汽 管道[5],其 热 处 理 工 艺 一 般 为 980 ℃ 正 火 后 再 经 740 ℃高温回火[4],其显微组织为铁素体+细珠光 体+少量贝氏体。该钢长期在高温、高压条件下工 作,其显微组织将发生变化,珠光体分解,片状渗碳体 变成球状、长大和聚集,铁素体晶内和晶界上碳化物 萌生、长大、数量增多。同时晶界上以碳化物为核心 的蠕变空洞开始形成。这种变化将严重影响钢的热 强性和冲击强度,因此管道在长期服役后应进行安全 评估,如发现管道老化应及时更换,避免事故发生。 笔者以材料为12Cr1MoVG 钢的高温过热器管 为例,利用便携式金相显微镜对其进行现场金相检 验,以说明薄壁管的现场金相检验效果。

 1 金相试样制备方法 

1.1 试样的打磨 

在薄壁管上先选取检验面,用不同粒度的砂轮 片依次打磨,砂轮片的粒度从粗到细依次为60目、 100目、150目、180目,最后用纤维轮打磨,打磨过 程用力要均匀,并不断地移动砂轮片,以保证检验面 的平整。在更换更细砂纸的时候,必须保证能完全 磨掉上一道砂轮片的划痕。

 1.2 试样的抛光 

   采用机械抛光和化学抛光相结合的方法对试样 进行抛光,机械抛光主要是去除打磨后检验区域较 明显的划痕,而化学抛光是去除机械抛光后,检验区 域表面的细微划痕。 首先进行机械抛光,先将型号为 W1.5、晶粒度为 6000目的研磨膏涂抹在羊毛毡表面,然后在试样表 面进行机械抛光,抛光过程中要防止检验面因摩擦而 生成过热组织,观察到检验区域的划痕基本消失后, 用酒精冲洗表面,再用脱脂棉球将其擦拭干净。 然后进行化学抛光,用镊子夹着脱脂棉球,蘸取 适量的抛光液,在检验面均匀擦拭,当检验区域的划 痕完全消失,且检验面成镜面时,用无水酒精冲洗整 个检验面,再用脱脂棉将酒精擦拭干净。抛光过程 中,要避免时间过短而出现组织假象。

1.3 试样的浸蚀和观察 

根据 DL/T884-2019《火电厂金相检验与评 定技术导则》的技术要求,选择体积分数为4%的硝 酸酒精溶液对试样表面进行浸蚀。用脱脂棉蘸取适 量的浸蚀液,均匀涂抹在试样抛光后的检验面上,当 检验面的颜色变成淡灰色后,将试样表面浸蚀液冲 洗干净,试样制备完成。但是浸蚀的时候,要特别注 意温度对浸蚀速率的影响,以免浸蚀过轻或过度,影 响观察效果。最后将便携式金相显微镜固定在检验 区域上,然后调节焦距并观察其显微组织形貌。

 2 检验结果 

2.1 金相检验结果

 对3台电厂锅炉的高温过热器管进行现场金相 检验。余 热 发 电 锅 炉 1 的 高 温 过 热 器 管 材 料 为 12Cr1MoVG 钢,规格为?42mm×3.5mm,运行时 间约为42600h,过热器出口温度为390℃,从人孔 向内第2根管的显微组织形貌如图1所示。可知聚 集形态的珠光体区域已开始分散,珠光体形态仍较 清晰,边界线开始变得模糊,部分碳化物呈条状、点 状,晶界上开始析出颗粒状碳化物,同时显微组织中 没有发 现 表 面 脱 碳 现 象。根 据 DL/T773-2016 《火电厂用12Cr1MoV 钢球化评级标准》的技术要求对过热器管的显微组织进行评级,可知珠光体组 织球化评级为2级,达到轻度球化。 

余热 发 电 锅 炉 2 的 高 温 过 热 器 管 材 料 为 12Cr1MoVG 钢,规格为?51mm×4mm,运行时间 约为47669h,过热器出口温度为450℃,西侧墙下 起第3根管的显微组织形貌如图2所示。可知贝氏体区域仍然存在,粒状结构开始变得疏松,方向性开 始消失,但贝氏体形态仍较清晰;晶界上开始析出粒 状 碳 化 物,同 时 没 有 发 现 表 面 脱 碳 现 象。 根 据 DL/T773-2016的技术要求对显微组织进行评级, 可知珠光体组织球化评级为2级,达到轻度球化。 余热 发 电 锅 炉 3 的 高 温 过 热 器 管 材 料 为 12Cr1MoVG 钢,规格为?42mm×3.5mm,运行时 间约为51600h,过热器出口温度为390℃,从东向 西第3根管的显微组织形貌如图3所示。可知聚集 形态的珠光体区域已显著分散,仍保留原有的形态, 边界线变得模糊,碳化物全部聚集长大,呈条状、点 状,晶界上颗粒状碳化物增多、变大且成小球状分 布,同时没有发现表面脱碳现象。根据 DL/T773 -2016的技术要求对显微组织进行评级,可知珠光 体组织球化评级为3级,达到中度球化。

2.2 壁厚测量结果 

分别对打磨后的3台电厂锅炉高温过热器管进 行壁厚测量,每个区域选取5个点,测量结果如表1 所示。可见余热发电锅炉1,2,3高温过热器薄壁管 打磨后的管壁减薄量依次为0.7,1.1,1.0mm。经 查资料可知,薄壁管打磨后的壁厚满足锅炉安全运 行基本条件的最小厚度,减薄量一般只需1.0 mm 左右,且得到的显微组织形貌清晰,检验面上基本看 不到明显的划痕,完全可以根据检验结果判断组织的 老化情况,达到检验目的。同时打磨厚度为1.0mm左右时,没有发现表面脱碳现象.

3 结论 

针对电站锅炉高温受热面的薄壁管,经过多次 现场金相检验试验,总结出了一套切实可行的高温 受热面薄壁管现场金相检验试样的制备方法。该方 法 选 取 砂 轮 片 的 粒 度 从 粗 到 细 依 次 为 60 目、 100目、150目、180目,最后用纤维轮进行打磨,这 样的打磨步骤一次性就能得到符合检验要求的检验 面,检验面几乎没有明显的划痕,且减薄量一般为 1.0mm 左右,完全满足安全运行最小厚度的要求。 即使在条件比较恶劣的现场,也能快速观察到显微 组织,且显微组织形貌清晰,检验结果准确、可靠。 同时,一般的金相检验技术人员经过系统的培训、练 习均可掌握该方法。该方法的应用不仅缩短了检验 时间,为企业创造了一定的经济效益,也避免了割管 的损伤,解决了薄壁管焊接恢复难的问题。 

来源：材料与测试网