CN107843706A - 基于布氏硬度组织和析出相特征综合的火电发电厂用t/p92耐热钢老化评级方法 - Google Patents

基于布氏硬度组织和析出相特征综合的火电发电厂用t/p92耐热钢老化评级方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢铁材料检验领域，尤其涉及一种基于布氏硬度、组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92超(超)临界机组耐热钢老化评级方法。本发明通过选用严格的试样制备方法，并采用合适配比的浸蚀剂，使得所述火电发电厂用P92耐热钢老化评级方法在低倍数的金相显微镜下即可以评测不同老化级别的金相组织形貌，特别是马氏体板条到铁素体组织的转变。本发明的火电发电厂用P92耐热钢老化评级方法，评价标准中不仅考虑到析出相的平均晶粒尺寸，同时综合考虑了不同老化程度时Laves相平均晶粒尺寸的长大现象及服役钢的硬度性能，钢的硬度性能够更加直观准确的表征其老化情况。

Description

基于布氏硬度组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92 耐热钢老化评级方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料检验领域，尤其涉及一种基于布氏硬度、组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92超(超)临界机组耐热钢老化评级方法。
背景技术
能源是经济增长和社会发展的物质基础，随着能源短缺状况日渐凸显和环境污染问题日益加重，各国从上世纪70、80年代就开始寻求向大容量、高效率的发电机组发展。提高发电机组蒸汽参数是提高发电效率最为有效的解决方法。目前世界各国正逐步将发电机组的蒸汽参数从亚临界(16.77MPa、540℃)提升到超临界(压力高于22.19MPa)以及超超临界(温度大于593℃、压力高于31MPa)状态。
超(超)临界设备大致可分为锅炉系列和汽轮机系列。锅炉系列由以过热器管为代表的小口径薄壁热交换器管(锅炉管)和将过热蒸汽输送到汽轮机的主蒸汽管及集管等大口径厚壁钢管(输送管)构成。设备温度通常是指主蒸汽管的蒸汽温度，相比之下，汽轮机的入口温度低20℃左右，而过热器管温度高20℃左右。因此，过热器管等小口径锅炉管主要使用Cr含量高的高强度高耐蚀性奥氏体耐热钢；而对于主蒸汽管等大口径输送管等厚壁大型结构件，由于内外部温差产生的热应力会加重蠕变疲劳损伤，因此通常使用铁素体耐热钢。相比奥氏体耐热钢，铁素体耐热钢具有优良的导热性、低的热膨胀系数、良好的抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀性能以及较低的生产成本等优点，成为超(超)临界机组关键部件的首选钢种。
由于超临界机组耐热钢在高温、高压及腐蚀介质耦合条件长期使用，其组织在长期服役的过程中会发生老化，由此导致新型马氏体耐热钢的性能发生退化使得超(超)临界机组在运行过程中出现开裂、爆管等失效事故的发生。不仅会影响电厂的正常运行造成重大的经济损失，而且还可能会造成人员的伤亡等悲剧发生同时带来极其恶劣的社会影响。
专利文献1(公开号CN103630566A，公开日2014年3月12日)中，记载了一种Super304H钢M23C6相的定量金相分析方法，其采用腐蚀剂对金相组织进行腐蚀，通过扫描电子显微镜获取金相照片，结合图像分析软件调整图像色阶范围统计碳化物析出相的体积百分比含量。但是所述方法并没有公开具体的评级标准，不利于科研和工艺人员进行准确评价老化程度。
专利文献2(公开号CN103063549A，公开日2013年4月24日)中，记载了一种T/P91钢基于析出相颗粒直径大小的老化评级方法，通过扫描电子显微镜对腐蚀后的金相组织计算析出相平均颗粒直径，并进一步公开了根据析出相颗粒平均直径的大小，将T/P91钢老化评定标准分为5级。但是所述方法仅是根据获得的析出相颗粒平均直径的尺寸进行评级，评价参照标准单一，导致评级误差较大，不利于实际生产应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单、精准的基于布氏硬度、组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92耐热钢老化评级方法，可以用于指导火电厂现场检测和安全评估的可靠性，对经过长期运行后的超临界机组耐热钢的老化程度进行准确的评定，进而指导工艺人员采取相应的措施，保证机组的安全运行，避免重大事故发生。
为了达到上述发明目的，本发明采用技术方案如下：
一种基于布氏硬度组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92耐热钢老化评级方法，包括如下步骤：
(1)切取试样
从被检验的管子上切取试样，所述试样包括检验部位的整个壁厚截面；
(2)试样平整与磨光
试样的检验面首先要进行平整，选用在线切割或者砂轮机上操作，用乳化液或冷却水对样品进行冷却，磨制时间为20～50秒；试样平整后，用砂纸由粗到细依次研磨，采用150#、240#、400#、800#、1200#、2000#砂纸依次研磨；
(3)试样抛光与浸蚀
抛光时采用机械抛光的方法去除研磨划痕及畸变层，抛光膏粒度选用W2.5号，采用可同时腐刻晶界及组织形貌的浸蚀剂进行腐蚀；
(4)金相组织照片
金相图片在金相显微镜100～500倍的放大倍率下，选择有代表性的视场进行金相组织形貌观察进行老化级别的评定，在扫描电子显微镜下放大1000～5000倍计算晶粒尺寸进行老化级别的评定；
(5)显微硬度测定
根据标准GB/T 231.4-2009对样品进行硬度检测；
(6)老化级别评定
根据耐热钢布氏硬度变化、组织演变及第二相析出长大规律，从轻度老化至完全老化分为5个级别；
老化1级为超轻度老化级别：组织形貌基本无变化；碳化物M23C6均匀细小弥散分布在原奥氏体晶界、马氏体板条界上，平均晶粒尺寸≤0.50μm：Laves相开始析出且数量少或未析出，硬度HB≥175；
老化2级为轻度老化级别：马氏体板条束发生合并及碎化，组织以出现粗大的板条束和亚晶为主；碳化物M23C6发生一定聚集粗化，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.85μm：Laves相析出数量增多，硬度160≤HB<175；
老化3级为中度老化级别：马氏体板条合并及碎化后大量亚晶出现，组织可明显看到大量退化为铁素体组织的马氏体块；大尺寸碳化物M23C6开始吞并小尺寸碳化物，0.85μm<大颗粒尺寸≤1.20μm：Laves相大量析出并长大平均晶粒尺寸≤0.5μm，硬度145≤HB<160；
老化4级为重度老化级别：大块铁素体发生合并，组织可看到整个原奥晶粒都退化为亮白的铁素体组织；碳化物M23C6均匀分布在基体及晶界上，尺寸大小差异明显，1.20μm<大颗粒尺寸≤1.85μm：Laves相析出继续增加且进一步聚集长大，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.7μm，硬度125≤HB<145；
老化5级为完全老化级别：多个原奥氏体铁素体晶粒发生合并，组织可看到大片亮白色的铁素体组织；碳化物M23C6尺寸明显长大且数量减少，其他小尺寸M23C6部分溶解或<50nm，此时大颗粒尺寸>1.85μm：Laves相平均晶粒尺寸>0.7μm，此时硬度极低HB<125。
所述的老化评级方法，步骤(1)中，试样的切割采用机械方法，切割加工时对样品进行冷却，防止组织发生变化；试样若采用火焰切割，切割后将热影响区完全去除。
所述的老化评级方法，步骤(1)中，对于较厚的部件，允许切取若干试样，保证覆盖整个检验截面。
所述的老化评级方法，步骤(3)中，浸蚀剂为苦味酸盐酸酒精溶液，溶液中各组分为：苦味酸1g、盐酸5ml、酒精100ml，腐蚀时间为40～80秒。
所述的老化评级方法，步骤(3)中，浸蚀剂为饱和氯化铁水溶液，溶液组成为氯化铁3g、水100ml，腐蚀时间10～25秒。
所述的老化评级方法，步骤(4)中，析出相尺寸统计计算采用Image-pro plus软件调整图像色阶进行分析统计，或者用ImageJ软件进行统计计算。
本发明的优点及有益效果是：
(1)本发明通过选用严格的试样制备方法，并采用合适配比的浸蚀剂，使得所述火电发电厂用P92耐热钢老化评级方法在低倍数的金相显微镜下即可以评测不同老化级别的金相组织形貌，特别是马氏体板条到铁素体组织的转变，本发明中的评级方法简单，工厂的工艺人员容易掌握，同时也大大降低了检测成本。
(2)本发明的火电发电厂用P92耐热钢老化评级方法，评价标准中不仅考虑到析出相的平均晶粒尺寸，同时综合考虑了不同老化程度时Laves相平均晶粒尺寸的长大现象及服役钢的硬度性能，钢的硬度性能够更加直观准确的表征其老化情况。相比于现有技术中单一通过析出相碳化物M23C6尺寸来判断耐热钢的老化程度，本发明中的评级方法更加准确，采用了更加严格的评价标准，对于实际生产中超临界耐热钢的事故预防更加有指导价值。
附图说明
图1(a)-(d)为本发明火电发电厂用P92耐热钢老化级别为超轻度老化级别(1级老化)时的金相组织图片。其中，图1(a)金相200×；图1(b)金相500×；图1(c)扫描2000×；图1(d)扫描5000×。
图2(a)-(d)为本发明火电发电厂用P92耐热钢老化级别为轻度老化级别(2级老化)时的金相组织图片。其中，图2(a)金相200×；图2(b)金相500×；图2(c)扫描2000×；图2(d)扫描5000×。
图3(a)-(d)为本发明火电发电厂用P92耐热钢老化级别为中度老化级别(3级老化)时的金相组织图片。其中，图3(a)金相200×；图3(b)金相500×；图3(c)扫描2000×；图3(d)扫描5000×。
图4(a)-(d)为本发明火电发电厂用P92耐热钢老化级别为重度老化级别(4级老化)时的金相组织图片。其中，图4(a)金相200×；图4(b)金相500×；图4(c)扫描2000×；图4(d)扫描5000×。
图5(a)-(e)为本发明火电发电厂用P92耐热钢老化级别为完全老化级别(5级老化)时的金相组织图片。其中，图5(a)金相100×；图5(b)金相200×；图5(c)金相500×；图5(d)扫描1000×；图5(e)扫描5000×。
图6(a)-(d)为本发明实施例中火电发电厂用P92耐热钢组织金相和扫描图像。其中，图6(a)金相200×；图6(b)金相500×；图6(c)扫描2000×；图6(d)扫描5000×。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
取样选自某电厂600MW超临界发电机组主蒸汽管道，材质为全马氏体组织的P92钢，蒸汽压力28.1MPa，出口蒸汽温度593℃，机组已累计运行35841h。
(1)切取试样
从被检验的管子上切取试样，所述试样应包括检验部位的整个壁厚截面，并考虑横纵位向的区别；对于较厚的部件，允许切取若干试样，需要保证覆盖整个检验截面；试样的切割宜采用机械方法，切割加工时需要对样品进行冷却，防止组织发生变化；试样不宜采用火焰切割，若必须采用火焰切割，切割后需将热影响区完全去除。
(2)试样平整与磨光
试样的检验面首先要进行平整，在线切割或者砂轮机上操作，使用冷却水对样品进行冷却，磨制时间为20～50秒，保证试样的检验面平整；试样平整后，用砂纸由粗到细依次研磨，采用150#、240#、400#、800#、1200#、2000#砂纸依次研磨；
(3)试样抛光与浸蚀
采用机械抛光的方法去除研磨划痕及畸变层，抛光膏粒度选用W2.5号，浸蚀剂为苦味酸盐酸酒精溶液，溶液中各组分为：苦味酸1g、盐酸5ml、酒精100ml，腐蚀时间为40～80秒。
另外，浸蚀剂可以为饱和氯化铁水溶液，溶液组成为氯化铁3g、水100ml，腐蚀时间10～25秒。
(4)金相组织照片
金相图片在金相显微镜100～500倍的放大倍率下，选择有代表性的视场进行金相组织形貌观察进行老化级别的评定，金相组织照片获取时应保证视场中直径或对角线长度范围内至少有4个晶粒，若晶粒粗大严重时可选用更低倍率。在扫描电子显微镜下放大2000倍计算晶粒尺寸进行老化级别的评定，析出相尺寸统计计算采用Image-pro plus软件调整图像色阶进行分析统计，也可用ImageJ软件进行统计计算。
(5)显微硬度测定
根据标准GB/T 231.4-2009对样品进行硬度检测；
(6)老化级别评定
根据耐热钢布氏硬度变化、组织演变及第二相析出长大规律，从轻度老化至完全老化分为5个级别；
如图1(a)-(d)所示，超轻度老化级别(老化1级)：组织形貌基本无变化；碳化物M23C6均匀细小弥散分布在原奥氏体晶界、马氏体板条界上，平均晶粒尺寸≤0.50μm：Laves相开始析出且数量很少或未析出，硬度HB≥175；
如图2(a)-(d)所示，轻度老化级别(老化2级)：马氏体板条束发生合并及碎化，组织以出现粗大的板条束和亚晶为主；碳化物M23C6发生一定聚集粗化，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.85μm：Laves相析出数量增多但仍较细小，硬度160≤HB<175；
如图3(a)-(d)所示，中度老化级别(老化3级)：马氏体板条合并及碎化后大量亚晶出现，组织可明显看到大量退化为铁素体组织的马氏体块；大尺寸碳化物M23C6开始吞并小尺寸碳化物，0.85μm<大颗粒尺寸≤1.20μm：Laves相大量析出并长大平均晶粒尺寸≤0.5μm，硬度145≤HB<160；
如图4(a)-(d)所示，重度老化级别(老化4级)：大块铁素体发生合并，组织可看到整个原奥晶粒都退化为亮白的铁素体组织；碳化物M23C6均匀分布在基体及晶界上，尺寸大小差异明显，1.20μm<大颗粒尺寸≤1.85μm：Laves相析出继续增加且进一步聚集长大，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.7μm，硬度125≤HB<145；
如图5(a)-(e)所示，完全老化级别(老化5级)：多个原奥氏体铁素体晶粒发生合并，组织可看到大片亮白色的铁素体组织；碳化物M23C6尺寸明显长大且数量很少，其他小尺寸M23C6部分溶解或<50nm，此时大颗粒尺寸>1.85μm：Laves相平均晶粒尺寸>0.7μm，此时硬度极低HB<125；
所述切取试样步骤中，试样的切割宜采用机械方法，切割加工时需要对样品进行冷却，防止组织发生变化；试样不宜采用火焰切割，若必须采用火焰切割，切割后需将热影响区完全去除。
运用上述方法，获得该状态下P92的布氏硬度为HB159。如图6(a)-(d)所示，即为通过以上方法获得的金相组织和析出相扫描组织图片，该组织中马氏体板条发生明显宽化，且碎化后的板条内有大量亚晶形成，可明显看到亚晶发生长大；碳化物M23C6开始虽弥散分布在原奥氏体晶界、亚晶界上，但是尺寸均较大，利用Image-pro plus统计该析出相尺寸为1.12μm，在扫描电镜背散射模式下，亮白色的Laves相大量析出均匀分布在原奥氏体界、亚晶界上，且有团簇聚集长大的趋势，经统计其平均尺寸约为0.43μm，因此可以判定该主蒸汽管道当前处于本发明规定老化级别的3级，即中度老化级别。

Claims (6)

1.一种基于布氏硬度组织和析出相特征综合的火电发电厂用T/P92耐热钢老化评级方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)切取试样
从被检验的管子上切取试样，所述试样包括检验部位的整个壁厚截面；
(2)试样平整与磨光
试样的检验面首先要进行平整，选用在线切割或者砂轮机上操作，用乳化液或冷却水对样品进行冷却，磨制时间为20～50秒；试样平整后，用砂纸由粗到细依次研磨，采用150#、240#、400#、800#、1200#、2000#砂纸依次研磨；
(3)试样抛光与浸蚀
抛光时采用机械抛光的方法去除研磨划痕及畸变层，抛光膏粒度选用W2.5号，采用可同时腐刻晶界及组织形貌的浸蚀剂进行腐蚀；
(4)金相组织照片
金相图片在金相显微镜100～500倍的放大倍率下，选择有代表性的视场进行金相组织形貌观察进行老化级别的评定，在扫描电子显微镜下放大1000～5000倍计算晶粒尺寸进行老化级别的评定；
(5)显微硬度测定
根据标准GB/T 231.4-2009对样品进行硬度检测；
(6)老化级别评定
根据耐热钢布氏硬度变化、组织演变及第二相析出长大规律，从轻度老化至完全老化分为5个级别；
老化1级为超轻度老化级别：组织形貌基本无变化；碳化物M23C6均匀细小弥散分布在原奥氏体晶界、马氏体板条界上，平均晶粒尺寸≤0.50μm：Laves相开始析出且数量少或未析出，硬度HB≥175；
老化2级为轻度老化级别：马氏体板条束发生合并及碎化，组织以出现粗大的板条束和亚晶为主；碳化物M23C6发生一定聚集粗化，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.85μm：Laves相析出数量增多，硬度160≤HB<175；
老化3级为中度老化级别：马氏体板条合并及碎化后大量亚晶出现，组织可明显看到大量退化为铁素体组织的马氏体块；大尺寸碳化物M23C6开始吞并小尺寸碳化物，0.85μm<大颗粒尺寸≤1.20μm：Laves相大量析出并长大平均晶粒尺寸≤0.5μm，硬度145≤HB<160；
老化4级为重度老化级别：大块铁素体发生合并，组织可看到整个原奥晶粒都退化为亮白的铁素体组织；碳化物M23C6均匀分布在基体及晶界上，尺寸大小差异明显，1.20μm<大颗粒尺寸≤1.85μm：Laves相析出继续增加且进一步聚集长大，0.5μm<平均晶粒尺寸≤0.7μm，硬度125≤HB<145；
老化5级为完全老化级别：多个原奥氏体铁素体晶粒发生合并，组织可看到大片亮白色的铁素体组织；碳化物M23C6尺寸明显长大且数量减少，其他小尺寸M23C6部分溶解或<50nm，此时大颗粒尺寸>1.85μm：Laves相平均晶粒尺寸>0.7μm，此时硬度极低HB<125。
2.按照权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，步骤(1)中，试样的切割采用机械方法，切割加工时对样品进行冷却，防止组织发生变化；试样若采用火焰切割，切割后将热影响区完全去除。
3.按照权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，步骤(1)中，对于较厚的部件，允许切取若干试样，保证覆盖整个检验截面。
4.按照权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，步骤(3)中，浸蚀剂为苦味酸盐酸酒精溶液，溶液中各组分为：苦味酸1g、盐酸5ml、酒精100ml，腐蚀时间为40～80秒。
5.按照权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，步骤(3)中，浸蚀剂为饱和氯化铁水溶液，溶液组成为氯化铁3g、水100ml，腐蚀时间10～25秒。
6.按照权利要求1所述的老化评级方法，其特征在于，步骤(4)中，析出相尺寸统计计算采用Image-pro plus软件调整图像色阶进行分析统计，或者用ImageJ软件进行统计计算。
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