某電站鍋爐主蒸汽管道魏氏組織形成原因分析

莊國華，朱 波，黃 磊

（山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司，濟南 250101）

鍋爐的主蒸汽管道是指鍋爐末級過熱器出口集箱出口至汽輪機高壓主汽閥（不含高壓主汽閥）的主蒸汽管道及一次閥門以內（不含一次閥門）的支路管道等，是鍋爐的主要部件[1]。為滿足生產運行的需要，主蒸汽管道一直處在高溫、高壓運行的狀態[2]，長周期運行的主蒸汽管道材質劣化傾向更為明顯。特別是在超溫超壓事故下，主蒸汽管道材質更容易發生不可逆的塑性變形、材質劣化等損傷[3-4]。按照TSG 11—2020《鍋爐安全技術規程》的要求應對主蒸汽管道進行金相檢測抽查。

一般認為，魏氏組織是一種不良的組織，其粗大的鐵素體對基體有分割作用，明顯地降低了鋼的強度和韌性，導致鋼在高溫時的組織穩定性也較差。本文結合對某電站鍋爐主蒸汽管道開展的金相檢測實際情況，就檢測發現的問題進行分析探討。

1 檢驗情況

1.1 資料審查

審查某電站鍋爐的出廠資料、監督檢驗、定期檢驗及使用維護資料等相關資料。了解到該鍋爐于2001年12月投用，額定壓力3.82 MPa，主要用作城鎮供暖，運行時間不到4萬h，具體參數信息見表1。

表1 某電站鍋爐基本參數

通過查閱文獻，獲取到主蒸汽管道材質20G化學成分信息[5]，見表2。

表2 20G化學成分表%

1.2 金相檢測

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彎頭位置的保溫層后，發現管路上有著均勻的高溫氧化銹蝕跡象，未見其他明顯損傷。隨后對主蒸汽管道直管段和第一個彎頭的母材部位進行金相檢測抽查，金相檢測位置如圖1所示。

圖1 現場金相檢驗的位置

采用PTI-2000現場金相顯微鏡對主蒸汽管道直管段和第一個彎頭的母材部位進行金相檢測。發現該彎頭的母材部位鐵素體呈片狀、羽毛狀或三角狀，組織形態較均勻，晶粒較圓潤，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現異常，珠光體區域內的碳化物呈片狀，組織狀態穩定，金相組織如圖2（b）所示。

圖2 檢測位置金相圖

根據GB/T 13299—91《鋼的顯微組織評定方法》，魏氏組織的評級由2個系列和6個級別組成。其中A系列指定作為含碳量0.15%～0.30%鋼的魏氏組織評級，B系列指定作為含碳量0.31%～0.50%鋼的魏氏組織評級。本次金相檢測的主蒸汽管道材質為20G，含碳量約為0.20%，很明顯對其金相結果的評級應該參照A系列的魏氏組織評級圖（圖3）。

圖3 A系列魏氏組織評級圖

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

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級標準，彎頭的母材部位的魏氏組織可評定為3級。

2 魏氏組織形成的機理與主要影響因素

在制造、焊接和熱處理過程中，材料因為高溫過熱形成粗晶奧氏體[6]，在一定的過冷條件下，會在粗大的奧氏體晶粒內形成有一定位向的鐵素體針片，這種同時存在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力集中，導致材料的機械力學性能下降，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行冷卻時，魏氏組織的數量和形態隨著溫度的變化而變化。寧玫等試驗設置了850～1 100℃等溫差6組熱處理試驗，統一采用空氣冷卻，后觀察金相成分并進行評級，試驗表明：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，晶粒逐漸長大，晶粒度級別降低，魏氏組織級別明顯增大。

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]，只有達到魏氏組織析出溫度時，鐵素體才能以魏氏組織形態析出。

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

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量分數范圍內才能形成魏氏組織。對于亞共析鋼，碳的質量分數越高，奧氏體晶粒越細，在較大過冷度下才能形成魏氏組織。研究表明，對于亞共析鋼，當奧氏體晶粒細小時，只有含碳量在0.15%～0.35%的范圍內，快速冷卻時才能形成魏氏組織[8]。

此外，一些合金元素的添加也能對其產生較大的影響。當加入錳等元素時，會加速魏氏組織鐵素體的形成；若加入鉬、鉻和硅等元素時，則會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]。奧氏體晶粒越細小，網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。事實上，少量晶粒細膩的魏氏組織鐵素體對材料力學性能的影響并不明顯，粗大的魏氏體鐵素體才會使材料的沖擊韌性和斷面收縮率下降。

3 該檢驗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，是焊接過程中焊縫及熱影響區因為過熱而形成的粗晶奧氏體，在一定過冷條件下，形成的具有一定結晶位向關系的組織結構。因此焊接接頭中魏氏組織是常見的，是不可避免的。

不同電流強度得出的焊接接頭在焊縫及熱影響區周圍普遍有魏氏組織的存在，隨著電流強度的增加，魏氏組織級別與之呈現正相關關系[9]。

3.2 管材在制造生產過程中形成魏氏組織

早期，高壓鍋爐用無縫鋼管的交貨狀態均參照GB 5310—1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》，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。當時國內各無縫鋼管生產廠家使用輥底式連續熱處理爐較為普遍，通常是加熱后空氣冷卻，但是尚未對空冷過程進行嚴格控制，進一步催生了魏氏組織的形成。此外，GB 5310—1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準所推薦的正火工藝處理，魏氏組織至少1.5級以上。通常大多數鍋爐生產廠家也可以接受級別不高于3.0級的魏氏組織。

4 結論

（1）綜上所述，發現的魏氏組織在彎頭的母材部位，距離焊縫及熱影響區較遠，排除因焊接過程而產生的情況，該魏氏組織的形態至多評為3級，很有可能是依據GB 5310—1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準生產制造時，在生產過程中形成的。

（2）傳統的正火或退火工藝方法，可以改善魏氏組織的級別，卻難以消除。建議正火前以加熱溫度為820±15℃、保溫時間為6+1.5×鋼管壁厚（mm）min后空冷的工藝預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）在檢驗過程中，發現魏氏組織應根據現場情況具體分析產生的原因，尤其是按照GB 5310—1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》標準所推薦的正火工藝處理的鍋爐管，存在魏氏組織是普遍的，建議持續關注其發展變化情況，做好監控措施和定點檢測工作。