某電站鍋爐主蒸汽管道魏氏組織形成原因分析

莊國(guó)華，朱 波，黃 磊

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101）

鍋爐的主蒸汽管道是指鍋爐末級(jí)過熱器出口集箱出口至汽輪機(jī)高壓主汽閥（不含高壓主汽閥）的主蒸汽管道及一次閥門以內(nèi)（不含一次閥門）的支路管道等，是鍋爐的主要部件[1]。為滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需要，主蒸汽管道一直處在高溫、高壓運(yùn)行的狀態(tài)[2]，長(zhǎng)周期運(yùn)行的主蒸汽管道材質(zhì)劣化傾向更為明顯。特別是在超溫超壓事故下，主蒸汽管道材質(zhì)更容易發(fā)生不可逆的塑性變形、材質(zhì)劣化等損傷[3-4]。按照TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》的要求應(yīng)對(duì)主蒸汽管道進(jìn)行金相檢測(cè)抽查。

一般認(rèn)為，魏氏組織是一種不良的組織，其粗大的鐵素體對(duì)基體有分割作用，明顯地降低了鋼的強(qiáng)度和韌性，導(dǎo)致鋼在高溫時(shí)的組織穩(wěn)定性也較差。本文結(jié)合對(duì)某電站鍋爐主蒸汽管道開展的金相檢測(cè)實(shí)際情況，就檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行分析探討。

1 檢驗(yàn)情況

1.1 資料審查

審查某電站鍋爐的出廠資料、監(jiān)督檢驗(yàn)、定期檢驗(yàn)及使用維護(hù)資料等相關(guān)資料。了解到該鍋爐于2001年12月投用，額定壓力3.82 MPa，主要用作城鎮(zhèn)供暖，運(yùn)行時(shí)間不到4萬(wàn)h，具體參數(shù)信息見表1。

表1 某電站鍋爐基本參數(shù)

通過查閱文獻(xiàn)，獲取到主蒸汽管道材質(zhì)20G化學(xué)成分信息[5]，見表2。

表2 20G化學(xué)成分表%

1.2 金相檢測(cè)

拆除高溫過熱器出口集箱主汽閥門之后的主蒸汽管道直管段和第一個(gè)彎頭位置的保溫層后，發(fā)現(xiàn)管路上有著均勻的高溫氧化銹蝕跡象，未見其他明顯損傷。隨后對(duì)主蒸汽管道直管段和第一個(gè)彎頭的母材部位進(jìn)行金相檢測(cè)抽查，金相檢測(cè)位置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)的位置

采用PTI-2000現(xiàn)場(chǎng)金相顯微鏡對(duì)主蒸汽管道直管段和第一個(gè)彎頭的母材部位進(jìn)行金相檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)該彎頭的母材部位鐵素體呈片狀、羽毛狀或三角狀，組織形態(tài)較均勻，晶粒較圓潤(rùn)，存在魏氏組織特征，金相組織如圖2（a）所示。主蒸汽管道的直管段部位金相組織未發(fā)現(xiàn)異常，珠光體區(qū)域內(nèi)的碳化物呈片狀，組織狀態(tài)穩(wěn)定，金相組織如圖2（b）所示。

圖2 檢測(cè)位置金相圖

根據(jù)GB/T 13299—91《鋼的顯微組織評(píng)定方法》，魏氏組織的評(píng)級(jí)由2個(gè)系列和6個(gè)級(jí)別組成。其中A系列指定作為含碳量0.15%～0.30%鋼的魏氏組織評(píng)級(jí)，B系列指定作為含碳量0.31%～0.50%鋼的魏氏組織評(píng)級(jí)。本次金相檢測(cè)的主蒸汽管道材質(zhì)為20G，含碳量約為0.20%，很明顯對(duì)其金相結(jié)果的評(píng)級(jí)應(yīng)該參照A系列的魏氏組織評(píng)級(jí)圖（圖3）。

圖3 A系列魏氏組織評(píng)級(jí)圖

魏氏組織級(jí)別分為6級(jí)，0為最低級(jí)，5為最高級(jí)。不同級(jí)別的組織型態(tài)和綜合性能也各不相同。通常魏氏組織的級(jí)別越低，其組織形態(tài)均勻，晶粒圓潤(rùn)，綜合性能相對(duì)好些。級(jí)別越高的組織形態(tài)有變差的趨勢(shì)，那么性能在理論上也會(huì)有所降低。表3是對(duì)A系列魏氏組織詳細(xì)特征的描述。

表3 魏氏組織特征描述

參照上述A系列魏氏體特征以及評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，彎頭的母材部位的魏氏組織可評(píng)定為3級(jí)。

2 魏氏組織形成的機(jī)理與主要影響因素

在制造、焊接和熱處理過程中，材料因?yàn)楦邷剡^熱形成粗晶奧氏體[6]，在一定的過冷條件下，會(huì)在粗大的奧氏體晶粒內(nèi)形成有一定位向的鐵素體針片，這種同時(shí)存在F+P的組織稱為魏氏組織。

魏氏組織不利于材料的力學(xué)性能[7]，原因在于大量存在的鐵素體針片在組織中形成了局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料的機(jī)械力學(xué)性能下降，尤其是沖擊韌性的下降更為明顯。

2.1 加熱溫度的影響

在不同的奧氏體化加熱溫度下，采用同一冷卻速度進(jìn)行冷卻時(shí)，魏氏組織的數(shù)量和形態(tài)隨著溫度的變化而變化。寧玫等試驗(yàn)設(shè)置了850～1 100℃等溫差6組熱處理試驗(yàn)，統(tǒng)一采用空氣冷卻，后觀察金相成分并進(jìn)行評(píng)級(jí)，試驗(yàn)表明：在較低加熱溫度條件下，晶粒度較高，魏氏組織量較少。隨著加熱溫度的提高，晶粒逐漸長(zhǎng)大，晶粒度級(jí)別降低，魏氏組織級(jí)別明顯增大。

2.2 冷卻方式及速度的影響

魏氏組織的形成需要滿足一定的過冷條件[5]，只有達(dá)到魏氏組織析出溫度時(shí)，鐵素體才能以魏氏組織形態(tài)析出。

大量試驗(yàn)證明[5]，在同一奧氏體化溫度條件下，采用不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻的情況時(shí)，魏氏組織結(jié)構(gòu)也不盡相同。整體來(lái)看，魏氏組織數(shù)量的變化與冷卻速度有著密切的關(guān)系（表4）：水冷淬火快速冷卻組織為馬氏體，無(wú)魏氏組織；采用爐冷慢速冷卻組織為等軸鐵素體和片狀珠光體，無(wú)魏氏組織；隨著冷卻速度的增加，魏氏組織數(shù)量增加，形態(tài)由三角形花樣逐漸轉(zhuǎn)變成羽毛狀花樣。溫度較低時(shí)，無(wú)魏氏組織；隨著溫度的提高，晶粒長(zhǎng)大，魏氏組織級(jí)別也隨之明顯增大。

表4 3種加熱溫度、4種冷卻方式處理樣品的組織分析[5]

2.3 碳（合金）元素含量的影響

只有在快速冷卻和一定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)才能形成魏氏組織。對(duì)于亞共析鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，奧氏體晶粒越細(xì)，在較大過冷度下才能形成魏氏組織。研究表明，對(duì)于亞共析鋼，當(dāng)奧氏體晶粒細(xì)小時(shí)，只有含碳量在0.15%～0.35%的范圍內(nèi)，快速冷卻時(shí)才能形成魏氏組織[8]。

此外，一些合金元素的添加也能對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)加入錳等元素時(shí)，會(huì)加速魏氏組織鐵素體的形成；若加入鉬、鉻和硅等元素時(shí)，則會(huì)阻礙魏氏組織的形成[8]。

2.4 晶粒度的影響

魏氏組織通常與粗大的奧氏體晶粒伴生[8]。奧氏體晶粒越細(xì)小，網(wǎng)狀鐵素體的形成率越高，反倒不容易形成魏氏組織，奧氏體晶粒越粗大，越容易形成魏氏組織。事實(shí)上，少量晶粒細(xì)膩的魏氏組織鐵素體對(duì)材料力學(xué)性能的影響并不明顯，粗大的魏氏體鐵素體才會(huì)使材料的沖擊韌性和斷面收縮率下降。

3 該檢驗(yàn)位置形成魏氏組織的原因

3.1 焊接過程中形成魏氏組織

魏氏組織是在焊接過程中很容易得到的組織形態(tài)，是焊接過程中焊縫及熱影響區(qū)因?yàn)檫^熱而形成的粗晶奧氏體，在一定過冷條件下，形成的具有一定結(jié)晶位向關(guān)系的組織結(jié)構(gòu)。因此焊接接頭中魏氏組織是常見的，是不可避免的。

不同電流強(qiáng)度得出的焊接接頭在焊縫及熱影響區(qū)周圍普遍有魏氏組織的存在，隨著電流強(qiáng)度的增加，魏氏組織級(jí)別與之呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[9]。

3.2 管材在制造生產(chǎn)過程中形成魏氏組織

早期，高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管的交貨狀態(tài)均參照GB 5310—1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》，由此獲得的正常組織為鐵素體+珠光體，20G屬亞共析鋼，組織中往往附帶有針狀魏氏組織。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)各無(wú)縫鋼管生產(chǎn)廠家使用輥底式連續(xù)熱處理爐較為普遍，通常是加熱后空氣冷卻，但是尚未對(duì)空冷過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，進(jìn)一步催生了魏氏組織的形成。此外，GB 5310—1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)所推薦的正火工藝處理，魏氏組織至少1.5級(jí)以上。通常大多數(shù)鍋爐生產(chǎn)廠家也可以接受級(jí)別不高于3.0級(jí)的魏氏組織。

4 結(jié)論

（1）綜上所述，發(fā)現(xiàn)的魏氏組織在彎頭的母材部位，距離焊縫及熱影響區(qū)較遠(yuǎn)，排除因焊接過程而產(chǎn)生的情況，該魏氏組織的形態(tài)至多評(píng)為3級(jí)，很有可能是依據(jù)GB 5310—1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造時(shí)，在生產(chǎn)過程中形成的。

（2）傳統(tǒng)的正火或退火工藝方法，可以改善魏氏組織的級(jí)別，卻難以消除。建議正火前以加熱溫度為820±15℃、保溫時(shí)間為6+1.5×鋼管壁厚（mm）min后空冷的工藝預(yù)先熱處理或以上述工藝作中間再制品的熱處理，即可消除魏氏組織[10]。

（3）在檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)魏氏組織應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況具體分析產(chǎn)生的原因，尤其是按照GB 5310—1995《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)所推薦的正火工藝處理的鍋爐管，存在魏氏組織是普遍的，建議持續(xù)關(guān)注其發(fā)展變化情況，做好監(jiān)控措施和定點(diǎn)檢測(cè)工作。