電站鍋爐常用的金屬材料金相檢測(cè)研究

藺超 肖偉

摘?要：電站鍋爐是發(fā)電廠中重要的設(shè)備，其工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)金屬材料的性能要求較高。而金相檢測(cè)是一種常用的金屬材料性能評(píng)估方法，通過(guò)分析材料的顯微組織，全面分析材料相組成、晶粒尺寸、硬度等信息?；诖?，針對(duì)電站鍋爐中常用的金屬材料進(jìn)行金相檢測(cè)研究，收集電站鍋爐中常見(jiàn)的金屬材料樣品，如碳鋼、合金鋼、不銹鋼等，再采用金相顯微鏡觀察這些樣品。觀察結(jié)果表明，不同金屬材料的顯微組織存在明顯差異，碳鋼主要由鐵素體和珠光體組成，而合金鋼中含有大量的馬氏體相，不銹鋼具有較為均勻的奧氏體相。此外，在金相檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)樣品硬度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同金屬材料的硬度存在差異，與其顯微組織特征相關(guān)，碳鋼硬度較低，合金鋼和不銹鋼硬度較高。

關(guān)鍵詞：電站鍋爐???金屬材料???金相檢測(cè)???性能評(píng)估方法

中圖分類號(hào)：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

電站鍋爐是發(fā)電廠中重要的設(shè)備，其正常運(yùn)行對(duì)于電力供應(yīng)至關(guān)重要。而鍋爐的金屬材料在高溫高壓環(huán)境下承受巨大的熱載荷，所以對(duì)鍋爐金屬材料性能檢測(cè)顯得尤為重要。而金相檢測(cè)是一種常用的金屬材料檢測(cè)方法，通過(guò)觀察金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，評(píng)估其質(zhì)量和性能。在電站鍋爐中，常用的金屬材料有鋼板、鑄鐵和不銹鋼等，這些材料要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，以保證鍋爐的安全可靠運(yùn)行。其中鋼板是電站鍋爐中最常見(jiàn)的金屬材料，具有較高的強(qiáng)度和耐高溫性能，金相檢測(cè)能分析鋼板的晶粒尺寸、晶界特征、相組成、碳化物等物質(zhì)，從而判斷鋼板的組織結(jié)構(gòu)是否均勻、是否存在缺陷等問(wèn)題；鑄鐵具有良好的耐高溫性和抗腐蝕性能，金相檢測(cè)分析鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、碳化物形態(tài)等，以評(píng)估其力學(xué)性能和耐磨性能；不銹鋼是一種具有良好耐腐蝕性能的金屬材料，常用于鍋爐蒸汽管道，金相檢測(cè)可以觀察不銹鋼的相組成、晶粒尺寸和晶界特征等，科學(xué)評(píng)估其抗腐蝕性能[1]。

1??金相檢測(cè)技術(shù)概述

金相檢測(cè)技術(shù)是一種常用于材料科學(xué)領(lǐng)域的分析方法，主要用于對(duì)金屬材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)該技術(shù)，能獲得關(guān)于金屬材料內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)、晶界分布、孿生組織、夾雜物、缺陷等信息，為材料性能和加工工藝提供重要參考。金相檢測(cè)技術(shù)的基本原理是在顯微鏡下觀察金屬材料進(jìn)行適當(dāng)處理后的顯微組織，金屬材料經(jīng)過(guò)切割、打磨、腐蝕等環(huán)節(jié)，以便在顯微鏡下觀察到材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)顯微鏡下的放大和照相技術(shù)，獲取高清晰度的金屬顯微組織圖像，從而實(shí)現(xiàn)材料定性分析功能。

目前，金相檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，在材料科學(xué)中，金相檢測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬材料的研究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用于分析不同處理?xiàng)l件下材料的組織演變及其與性能的關(guān)系。在金屬加工工藝中，金相檢測(cè)技術(shù)能用于評(píng)估金屬材料的可加工性和熱處理效果，幫助優(yōu)化加工參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此外，金相檢測(cè)技術(shù)還可以用于金屬材料的質(zhì)量檢驗(yàn)分析，幫助解決金屬材料在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。同時(shí)，金相檢測(cè)技術(shù)發(fā)展離不開(kāi)顯微鏡技術(shù)，隨著顯微鏡技術(shù)不斷提升，進(jìn)一步創(chuàng)新金相檢測(cè)技術(shù)，常用金相檢測(cè)技術(shù)包括光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（Scanning?Electron?Microscope，SEM）、透射電子顯微鏡（Transmission?Electron?Microscope，?TEM）等。這些顯微鏡技術(shù)能提供不同放大倍數(shù)和分辨率的圖像，幫助研究人員全面分析金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)[2]。

2??電站鍋爐的金屬材料金相組織檢測(cè)分析

2.1??20G常見(jiàn)組織

20G是一種低合金高溫鋼，具有良好的耐高溫和耐壓性能，其主要成分為碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）和鉻（Cr）等元素。其中，碳元素能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，增加鋼的脆性；硅和錳元素能提高鋼的韌性，抑制碳元素的影響程度；磷和硫元素對(duì)鋼的冷脆性有一定的影響，所以在生產(chǎn)過(guò)程中要控制其含量；鉻元素能提高鋼的耐氧化性能，防止鋼材在高溫下的氧化（如表1所示）。在鍋爐安全技術(shù)規(guī)范中，明確規(guī)定20G進(jìn)行鍋爐受熱面管子所使用的壁溫應(yīng)低于460?℃，20G常見(jiàn)金相組織主要有珠光體、鐵素體、少量滲碳體。珠光體是一種典型的等軸晶體結(jié)構(gòu)，具有良好的塑性和韌性，適用于承受壓力的部件。20G使用4%硝酸酒精溶液浸蝕能顯示出具體的顯微組織；鐵素體是由細(xì)小的鐵素體晶粒組成，具有較高的硬度和強(qiáng)度，適用于承受高溫、高壓的部件；滲碳體是指在鐵素體晶粒內(nèi)部含有一定量的碳元素，能提高鋼材的硬度和耐磨性[3]。

2.2??15CrMo和12Cr1MoV

電站鍋爐是發(fā)電廠中的重要設(shè)備，其工作環(huán)境苛刻，需要使用高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕的金屬材料。常見(jiàn)的金屬材料包括15CrMo和12Cr1MoV。本文將介紹這兩種材料的基本性能以及常見(jiàn)的金相組織[4]。15CrMo是一種低合金鋼，其主要成分為C、Cr、Mo，具有較好的高溫、高壓強(qiáng)度、抗氧化性能。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較小。15CrMo和12Cr1MoV材料使用條件差異較小，兩者會(huì)發(fā)生珠光體球化現(xiàn)象。在電站鍋爐中，15CrMo常用于制造鍋爐管道、彎頭、法蘭等部件，15CrMo金相組織主要為鐵素體和少量馬氏體，其中鐵素體顆粒較大，整體呈紅色，馬氏體顆粒較小，呈白色。金相組織觀察對(duì)于評(píng)估15CrMo的組織均勻性和硬度分布非常重要（如表2所示）。

2.3??P91金相組織

P91鋼是一種常用的高溫高壓鍋爐管材料，具有優(yōu)異的耐高溫、耐蠕變、抗氧化性能，金相組織檢測(cè)是評(píng)估P91鋼材料性能的重要手段，能通過(guò)觀察材料的金相組織來(lái)了解其基本性能和常見(jiàn)組織[5]。P91鋼的基本性能主要包括強(qiáng)度、硬度、韌性和耐蠕變性能等方面，金相組織檢測(cè)能通過(guò)顯微鏡觀察和金相顯微鏡圖像分析來(lái)評(píng)估這些性能。一般情況下，P91鋼的金相組織主要包括鐵素體、貝氏體、碳化物。鐵素體是一種具有良好塑性和韌性的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性有重要影響；貝氏體是一種強(qiáng)度較高且脆性較大的組織，其材料冷卻速度和合金元素含量有關(guān)；碳化物是一種較硬的元素，對(duì)材料耐磨性和耐熱性有重要影響（如表3所示）。

P91鋼顯微組織老化是以《火力發(fā)電廠用10Cr9Mo1VNbN鋼顯微組織老化評(píng)級(jí)》進(jìn)行劃分，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，以及是否出現(xiàn)鐵素體情況，并將P91鋼老化評(píng)價(jià)分成五級(jí)，1級(jí)并未老化，5級(jí)老化中馬氏體形態(tài)全部消失，組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和碳化物，且晶界處碳化物顯著長(zhǎng)大，且其呈現(xiàn)鏈狀分布[6]。

3?電廠鍋爐金屬材料氧化皮剝落失效分析

在電廠鍋爐中，金屬材料常常會(huì)出現(xiàn)氧化皮剝落的現(xiàn)象，這種失效會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐的運(yùn)行安全和效率，所以對(duì)于氧化皮剝落失效進(jìn)行深入分析非常重要。氧化皮剝落失效是由于金屬材料表面形成一層厚度不均勻的氧化皮，這層氧化皮在鍋爐運(yùn)行時(shí)受到高溫的作用，會(huì)發(fā)生脆性破裂，導(dǎo)致氧化皮剝落，不僅會(huì)損壞金屬材料本身，還會(huì)引起其他設(shè)備部件的故障。氧化皮剝落失效的原因可以分為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因主要是金屬材料的質(zhì)量問(wèn)題，如材料組織結(jié)構(gòu)不均勻、含有夾雜物等；外因則包括鍋爐運(yùn)行條件不穩(wěn)定、水質(zhì)問(wèn)題、煙氣中的腐蝕物質(zhì)等，這些因素會(huì)加速氧化皮的剝落[7]。

針對(duì)氧化皮剝落失效，工作人員采取以下措施進(jìn)行預(yù)防。

（1）定期對(duì)金屬材料進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，包括材料的組織結(jié)構(gòu)、硬度、脆性等指標(biāo)。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，可以判斷金屬材料的可靠性和壽命。

（2）加強(qiáng)對(duì)鍋爐運(yùn)行條件的監(jiān)控和調(diào)整，保持穩(wěn)定的溫度和壓力。特別是在啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中，要注意溫度和壓力的變化，避免突然的溫度和壓力變化造成金屬材料的應(yīng)力集中。

（3）對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定期檢測(cè)和處理，避免水中含有腐蝕物質(zhì)。可以采用化學(xué)水處理的方法，控制水中的溶解氧和堿度，減少金屬材料的腐蝕。

（4）增加金屬材料的保護(hù)層，如涂覆耐高溫涂層或使用耐腐蝕合金材料。這樣可以增加金屬材料的耐高溫和耐腐蝕性能，延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命[8]。

4??結(jié)語(yǔ)

綜上所述，電站鍋爐是電力工業(yè)中非常重要的設(shè)備，而鍋爐的金屬材料在其運(yùn)行過(guò)程中承受著高溫、高壓等極端條件，因此對(duì)于金屬材料的性能評(píng)估和質(zhì)量控制顯得尤為重要。金相檢測(cè)主要通過(guò)對(duì)金屬材料樣品的切割、打磨、腐蝕等處理，觀察其結(jié)構(gòu)和特征，進(jìn)而分析材料的組織、晶粒尺寸、晶界、相變、硬度等性能指標(biāo)，評(píng)估電站鍋爐常用金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，從而確保鍋爐的安全運(yùn)行。隨著科技的不斷進(jìn)步和金相檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，相信在未來(lái)，金相檢測(cè)在電站鍋爐研究中的應(yīng)用會(huì)更加深入。

參考文獻(xiàn)

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[2]?劉明星.電站金屬材料超聲相控陣檢測(cè)缺陷長(zhǎng)度定量研究[J].熱加工工藝，2020，49（11）：147-149，152.

[3]?龐凱杰，彭學(xué)文，王大鑫，等.電站鍋爐范圍內(nèi)管道無(wú)損檢測(cè)及缺陷處理[J].電力與能源進(jìn)展，2022，10（4）：98-104.

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[7]?韓慶怡，邵明政，張丁丁，等.基于DNA功能化金屬有機(jī)框架材料的熒光探針對(duì)瓣?duì)詈怂醿?nèi)切酶1的檢測(cè)和成像研究[J].分析化學(xué)，?2023，?51?（1）：?53-68.

[8]?魯聰，李振華，劉金露，等.一種新的鑭系金屬有機(jī)骨架材料的合成、結(jié)構(gòu)及熒光檢測(cè)性質(zhì)[J].?高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43?（6）：?68-76.