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摘要 本文针对火力发电厂中工作在3 5 0 。c 以下的2 0 9 低碳钢在使用 过程中的性能与微观结构的变化规律及其与失效的关系进行了研 究。 在研究工作过程中以收集到的火力发电厂不同运行时间的管道 和使用实验方法获得样品为研究对象。在本文所述工作中，采用金 相显微镜、扫描电镜、电子探针、透射电镜等分析仪器，对上述样 品的微观组织结构进行了分析，同时对样品的机械性能进行了测试。 通过上述的研究工作，总结了火力发电厂用低碳钢在长期运行 期间性能与微观结构的变化规律，提出以珠光体球化、晶界宽化、 元素晶界偏聚及碳化物晶界析出为主要特征的低碳钢微结构变化规 律，以及由此而引起的材料机械性能的变化。同时以此为理论依据， 对火力发电厂因材料失效而引发的生产事故进行了详细分析，并对 火力发电厂的安全生产提出相应的建议。 关键词；低碳钢、珠光体球化、碳化物、晶界宽化、元素偏聚 a b s t r a c t i n p r e s e n tp a d e rl o wc a r b o ns t e e l2 0 9w h i c hw o r k i n gi n p o w e rp l a n tb e l o wt h et e m p e r a t u r e3 5 0c e n t i g r a d ei sr e s e a r c h e d t h er c g u l a r i vo f c h a n g eo f m e r c h a n tp e r f o r m a n c e m i c r o s t r u c t u r e a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a n g ea n dm a t e r i a lf a i l l ed u r i n g t h ep e r i o do f m a t e r i a l w o r k i n g a r ef o c u s e do n t h es p e c i m e ni so b t a i n e db yc o l l e c t i n g1 0 wc a r b o ns t e e lp i p e e x p e r i e n c e d d i f f e r e n tt i m ei n p o w e rd 1 a j l t a n dh e a tt r e a t m e n t e x p e r i m e n t o fu n u s e ds a m e t y p e s t e e l t h em i c r o s t r u c t u r ei s a n a l y z e db ym e t a l l o 盯a p h i c s ，s e m 。e p m aa n dt e m a t t h e 戳q l l l e t i m em e r c h a n t p e r f o r m a n c e i sa l s ot e s t e d t h ec h a n g er e g u l a r i t yf o rp e r f o h n a n c ea n dm i c r o s t r u c t u r eo f l o wc a r b o ns t e e li ss u m m a r i z e d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h e p r o c e s s i s p e a r l i t es p h e r o i d i z i n g ，i n c r e a s i n g o fg r a i n b o u n d a r y w i d t h ，e l e m e n ts e g r e g a t i o na n dc a r b i d ei ng r a i nb o u n d a r y t h e c h a n g eo f t h o s em i c r o s t r u c t u r ec a u s e st h ev a r i a n c eo ft h em e r c h a n t p e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so f t h er e g u l a r i t yt h ef a i l u r ea c c i d e n t si n t h r e ep o w e rp l a n t sa r ea n a l y z e dc a r e f u l l v a st h er e s u l to f 血e r e s e a r c hs o m ea d v i c eo ns a f ep r o d u c t i o nf o r 也ep o w e rp l a n ti s p r o v i d e d ，t o o k e y w o r d s ：l o wc a r b o ns t e e l ，p e a r l i t es p h e r o i d i z i n g ，c a r b i d e ，g r a i n b o u n d a r yw i d i n g ，e l e m e n ts e g r e g a t i o n i i 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 第一章绪论 1 概述 1 1 电站用金属材料的选择 火力发电厂动力设备中的许多零部件是在高温、高压甚至腐蚀性介质条件 下长期运行，而这些零部件大多是使用铡材制造。因此为了确保生产设备及人 员的安全，对生产制造这些零部件钢材的选择是十分重要的。根据工作条件的 不同，火力发电厂的锅炉等压力容器主要部件所用的钢料大致有两类：用于室 温及中温( 蠕变温度以下) 的钢材，主要是钢板和部分管道，用于高温( 蠕变 温度以上) 的承压元件的钢材，主要用来制造钢管。对于前者往往要求材料应 具有较高的室温强度、良好的韧性、较低的缺口敏感性、良好的加工工艺性能、 焊接性能以及良好的低倍组织。而对于高温条件下的承压元件则要求应具有高 温抗氧化性( 耐热性) 和良好的加工工艺性。上述要求有时难以同时满足，这 时就需要根据实际情况做出一定的取舍。 上述两类材料在使用温度上往往以5 0 0 作为分界点，对于工作温度在5 0 0 以下的零部件，一般选用碳素钢、低合金结构钢来制造，如铁素体一珠光体 型钢、低碳贝氏体型钢、马氏体型调质高强度钢。当工作温度高于5 0 0 时，则 常常选用低合金珠光体热强钢、低合金贝氏体热强钢、奥氏体不锈钢。下面对 其中的部分钢材进行简单的介绍。 碳素钢：在锅炉和压力容器制造中，低碳钢得到广泛的应用。这主要是因 为低碳钢具有良好的塑性和韧性，加工_ 艺好特别是可焊性好。低碳钢的强度 虽然较低，但仍然能满足一般锅炉和压力容器的要求。锅炉与压力容器的承压 部件所用的低碳钢主要可分为两大类：一类是优质碳素结构钢，常用1 0 号、2 0 号钢轧制无缝钢管作为各种受热面管件、集箱和汽水管道。另一类是专用碳素 钢，它是在前一类型钢材的基础上通过严格控制s 、p 等元素含量以及表面质量 和内部缺陷而获得的。常用的有1 5 9 、2 0 9 等。用于制造承压相对较低的管道等 部件。其中2 0 9 即是本文主要的研究对象。 合金钢：对于在更高温度下使用的部件，要求其在高温下保持化学稳定性 即具备热稳定性，同时应保持足够的强度即热强性。上述两项指标合称为钢的 耐热性能。钢的耐热性能的提高主要是通过合金化的方法实现的。即通过在碳 钢中添加合金元素以获得高温下的组织稳定性和良好的机械性能。由于所加入 的合金元素含量不高，使材料仍然能够保持良好的工艺性能。同时这些合金元 素可以抑制在长期运行中所发生的碳化物析出、某些合金元素的晶界偏聚等一 系列可能导致材料机械性能恶化的变化过程。所加入的合金元素通过固溶强化、 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 沉淀强化、晶界强化等合金化机制强化材料。这类材料有1 2 c r l m o v 、1 5 c r m o 等。 从火力发电厂锅炉设备的结构上看，过热器管子是重要的高温部件，同时 作为锅炉组成部分的水冷壁、省煤器也包含大量的管道。此外还有用来传输推 动汽轮机运转的高压蒸汽用的主蒸汽管道、导汽管以及一些辅助性的管道。可 见管道在火力发电厂设备中占有很大的比重。上述金属材料选择原则同样适用 于管道件，在此基础上又作了一些增补和细化，例如对于过热器管道和蒸汽管 道用钢选择的主要依据仍然是温度，但考虑到蒸汽管道如果发生事故后果更加 严重，应留有更大的安全系数，所以对于同一钢号，用于蒸汽管道时允许的最 高使用温度一般要比过热器低3 0 一5 0 。下面是蒸汽管道和过热器管道在不同 工作温度下所用的钢材： 在4 5 0 以下运行的高压机组中的部分管道和中低压锅炉钢管主要使用l o 号、2 0 号优质碳素钢。 在5 4 0 。c 以下运行的过热器管道和5 1 0 。c 以下运行的蒸汽管道使用1 2 c r m o 钢。在5 5 0 以下运行的过热器管道和5 3 0 以下运行的蒸汽管道使用1 5 c r m o 钢。 在5 8 0 以下运行的过热器管道和5 7 0 以下运行的蒸汽管道使用 1 2 c r l m o v 、1 2 m o v w b s i r e 等合金钢。 在6 2 0 以下运行管道使用1 2 c r 2 m o w v b 、1 2 c r 3 m o v s i t i b 钢。 1 2 本课题研究的背景和意义 1 2 1 火力发电厂金属材料运行过程中的失效 前已述及由于火力发电厂金属材料工作环境的特殊性，对于材料的选择要 十分慎重。但从实际情况看，火力发电厂金属材料在运行过程中的失效事故仍 然时有发生。而且这样的事故一旦发生往往造成巨大的生命及财产损失。失效 的原因往往是多方面的，例如由于运行过程中的操作不当引起管道温度超过设 计要求，而发生超温【l 】或者由于工作介质p h 值调节不当而引起的腐蚀【2 】，另外 由于管道材料在长期运行过程中组织结构发生变化又与管道的某些加工缺陷 ( 如由于冷加工引起的应变时效9 】或冶金缺陷【4 j ) 叠加所造成的失效等等。有 文献【5 】将锅炉管道的主要失效类型大体分成以下几类，如表1 一l 所示。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 表1 1 锅炉管道主要失效类型 从表中可见锅炉管道失效类型可以分为过热、磨损、腐蚀、疲劳损坏、质 量控制失误五类。下面对不同类型的失效作简单的介绍。 过热：分为短期过热和长期过热两类。短期过热是由于管道运行过程中由于操 作等原因使管道温度严重超过其额定温度，导致材料性能的急剧下降而引发的 事故。长期过热是在超温幅度不太大的情况下，管道金属在应力作用下发生蠕 变( 管径胀粗) ，直至引起管道破裂。 磨损：因为飞灰等固体颗粒的磨损引起管道壁厚减薄，并最终导致管道爆裂。 腐蚀：材质与工作介质发生化学作用或电化学反应而引起的管道失效。在与烟 气接触的表面上可以发生由硫化物造成的腐蚀，在与水汽接触的表面，由于锅 炉水质的p h 值调节不当或炉水发生浓缩等原因能够引起的酸性或碱性腐蚀。 例如，当锅炉中某些部位h + 离子浓度较高时即可发生酸性水对金属的腐蚀，并 引起金属的脱碳。其腐蚀机理可描述如下： 阳极反应：f e + f e ”+ 2 e 阴极反应：2 h + + 2 e 2 h ， 如果上述反应生成的氢不能及对排除，就有可能扩散到金属内部和钢中的 渗碳体发生脱碳反应： f e 3 c + 2 h 2 - + 3 f e + c h 4 上述反应生成的甲烷与氢分子相比体积急剧膨胀，在晶界处形成局部应力 并最终造成沿晶界的裂纹。 此外如果工作介质中含有大量的氧，管道基体中的铁可与氧发生如下的电 化学反应： 铁( 阳极) ：f e 卜f e 2 + + 2 e 氧( 阴极) ：0 2 + h 2 0 + 4 e _ 4 0 h 一 该反应引起铁的腐蚀，造成材料的损耗。 疲劳破坏：管道在交变负荷作用下引起材料内部微小裂纹，并在运行过程中不 断扩大最终引起失效。 质量控制的失误：在管道的焊接或其他加工过程中产生了缺陷，并在随后的使 用过程中，在温度、压力等外界因素作用下，成为失效源。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 除了上述若干外界因素的影响外，由于几乎所有的工业用材料的结构在热 力学上都是不稳定的，因此在长期的使用过程中有自发向稳定状态转变的趋势， 表现在材料的微观结构上，就是随着运行时间的延长，材料内部会发生珠光体 球化、合金元素和碳化物的晶界偏聚等一系列变化。材料的微观结构的变化必 然导致其宏观性能的改变，如材料的脆化、强度的下降等。当性能下降到设计 要求以下时就可能导致事故的发生。 1 2 2 本课题研究的背景 正是由于在火力发电厂生产过程中存在上述的失效事故以及错综复杂的导 致失效事故的原因，多年来人们对电厂使用的金属材料进行了深入的研究。同 时又由于工作在火力发电厂中，温度和压力较高的主蒸汽管道如果发生事故影 响面大，后果严重，因此多年来对1 2 c r l m o v 等合金钢在使用过程中的组织结 构变化的现象、动力学及其对机械性能的影响f 6 呻】以及材料蠕变过程的发展，剩 余寿命的评估 1 0 , 1 1 进行了大量细致的研究。而对于工作在温度、压力相对较低 环境下的低碳钢则研究较少，只能看到部分对个别失效事故案例的报道与分析 1 2 】。 与上述研究状况形成对比的是随着国内火力发电厂机组运行时间的延长， 一些机组相继发生了低碳钢管道的失效事故。从1 9 9 4 年到2 0 0 0 年期间吉林、 锦州等地的火力发电厂先后发生了电站高压机组中的低碳钢管道的爆炸事故， 造成了重大损失。因此电力系统的安全监督部门迫切希望了解火力发电厂的低 碳钢管道经过长期运行后组织结构发生了哪些变化、这些变化对宏观的机械性 能有哪些影响，并能够在此基础上对现有的锅炉机组使用材料的寿命进行初步 的评估，对现有的安全生产规范作相应的完善，从而杜绝类似事故的发生。基 于这样的思路作为电力系统管理部门的辽宁省电力有限公司协同所辖的大连发 电总厂、辽宁电厂、清河电厂等单位与大连理工大学材料系于2 0 0 0 年8 月联合 开展了“火电机组承压低碳钢管道件时效分析研究”的横向科研课题。本文所 述的大部分研究工作均取自该课题。 如前面所述，目前对于电站金属材料的研究工作主要集中在蠕变温度以上 的合金钢方面，对于蠕变温度以下的低碳钢尚未进行过系统化的研究。本文在 这方面进行了初步的尝试，通过对大量取自火力发电厂的运行不同时间材料的 微观结构的分析以及模拟实验的研究阐述了低碳钢材料在蠕变温度以下长期运 行过程中的微观结构的某些变化规律，及其对材料宏观性能的影响。 4 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 2 本课题研究工作的流程与内容 本课题的研究工作流程如下图所示： 图1 一l 本文研究工作流程 f i g1 - 1p r o c e s so f t h e r e s e a r c hw o r ki nt h ep a p e r 由该图可见，本文研究工作可以分成两个部分：首先，收集火力发电厂运 行不同时间的低碳钢样品。在样品收集过程中应保证所取得样品具有代表性和 广泛性，即样品材质相同、工作环境相同或相近、材料的使用时间应分布于不 同时段以便于比较归纳其中的某些变化规律。在此基础上对所收集的样品进行 宏观性能与微观组织结构的分析、检测，以提取其中蕴含的信息，从而寻求一 定的规律。其次，在完成第一部分工作后，为了进一步观察材料在使用过程中 的变化，采用实验的方法，模拟材料的使用环境，进一步获得经历不同使用时 间的材料样品。然后再对这些样品做与前一步相同的分析，以求完善前一部分 所得到的结论。 在上述的研究工作中，针对低碳钢在长期运行过程中发生的珠光体球化、 合金元素与碳化物分布的变化以及晶界等微观结构的变化等现象进行了较为深 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 入的观察与研究。在整个工作中借助金相显微镜、扫描电镜、电子探针、透射 电镜等分析测试工具，初步建立了对低碳钢长期运行过程中珠光体球化过程的 描述，分析了材料在使用过程中微量台金元素的偏聚，碳化物的晶界析出以及 晶界随使用时间延长而发生的展宽等现象，测量了这些微观结构变化对材料宏 观机械性能的影响。通过这些工作对火力发电厂低碳钢材料的使用寿命进行了 初步的评估，对火力发电厂的安全生产提出了相应的建议。 参考文献 【1 肖向东电厂锅炉高温过热器报关事故分析热力发电1 9 9 9 年第2 期 【2 魏天焕锅炉爆管的分析和缓解动力工程1 9 8 5 年9 月1 3 - 1 7 3 张明奇提高锅炉分散供水管弯管冲击韧性的可行性研究东北电力技术2 0 0 0 年第9 期 1 2 1 8 4 】姚岩峰、王朝前电站锅炉引出管爆裂原因分析及对策中国锅炉压力容器全第1 7 卷 第2 期5 7 5 9 5 周昊根据爆1 2 特征判断爆管原因热力发电 1 9 9 9 年第5 期4 3 - 4 8 6 高万夫1 5 c r m o 钢珠光体球化对机械性能的影响石油化工高等学校学报 1 9 9 7 年1 2 月4 0 4 2 【7 李华瑞锅炉用钢中碳化物的结构和数量北京科技大学学报1 9 9 0 年7 月 【8 】谢国胜耐热钢珠光体球化过程中碳化物粒子粗化动力学发电设备1 9 9 7 年第4 期 9 】孙智热轧1 2 c r l m o v 钢在高温运行中组织和性能变化的研究金属热处理1 9 9 8 年第2 期1 2 1 5 1 0 吴非文火力发电厂高温金属运行水利电力出版社1 9 7 9 年2 3 0 - 3 2 7 【1 1 】周顺深炉管珠光体球化与破裂寿命的关系华东电力1 9 9 5 年第5 期7 - 1 1 【1 2 】王志新发电厂锅炉高压给水管爆破事故分析及失效预防的研究动力工程1 9 9 2 年2 月 3 2 3 8 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 第二章实验设备与研究方法 2 1 实验设备 为了提取低碳钢在长期运行过程中发生变化的宏观与微观信息，在本文的 研究工作中对火力发电厂经不同运行时间段的低碳钢样品进行了宏观机械性能 与微观组织结构的分析与测试。使用了电子探针、扫描电镜、透射电镜等大型 精密分析仪器，同时也使用了拉力试验机、箱式电阻炉等常规实验设备。下面 对其中的主要实验设备进行简要的介绍。 2 1 1 电子探针 电子探针是目前一种较为理想的微区化学成分分析设备，它利用一束加速 到5 3 0 k v 并聚焦得很细的电子束轰击选定的微区( 一般为l 一5um 平面范 围) ，利用试样受到轰击时发射的x 射线的波长及强度，来确定分析区域( 一般 为1 3 0 u m 3 ) 中的化学成分 1 。目前利用电子探针可以方便地分析从b e 到u 之间的化学元素，所以元素周期表中的大多数元素可以使用这种方法进行分析。 特别是对轻元素的分析与传统的化学分析相比，大大缩短了分析时间，消耗样 品的数量也较少，并对样品基本无损伤，因此电子探针在材料科学、地质、考 古等多方面得到了广泛的应用。 ( 1 ) 电子探针的组成 图2 一l 是本文工作中使用的e p m a 一1 6 0 0 电子探针系统的体系结构 示意图。由该图可见，系统分为以下三个部分： 1 主体部分：完成电子探针的核心功能。 2 接口单元：完成对电子探针主体部分的控制功能包括：电源控制、 伺服电机控制、测量信号、图像信号接受与转换、样品台精确定位 及手动调节以及外接相机的控制。 3 控制与数据处理单元：包括s u n 工作站，完成对整个系统进行控制 的人机接口，测量数据的实时显示以数据的分析存储。c r t 显示器 用于各类光学、电子图像的显示。磁性光盘驱动器，用于大容量存 储介质的驱动。彩色打印机，输出分析数据或图像。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 图2 1e p m a - - 1 6 0 0 电子探针结构原理图 4 】 f i g2 - 1s k e t c hm a p o f e l e c t r o n i cp r o b em i c r oa n a l y z e re p m a 一1 6 0 0 4 下面简要介绍其主体部分的组成原理。从图2 一l 可见，电子探针主体部分 可分为： 1 电子光学系统，电子探针依靠电子光学系统获得高速电子流并将其 聚焦，电子光学系统又分成两个子系统，一部分是产生电子束的电 子枪，另一部分是聚焦电子束，使其在样品表面形成一个很小焦斑 的透镜系统。 2 样品室，其作用是盛放试样，并将它们置于电子束的轰击之下，因 此样品室具备一套可在真空室外操作的移动装置，使真空室内的样 品台可以任意移动并精确定位。 3 光学及电子光学样品观察装置，为了选择合适的位置以便使样品上 特定区域处于电子束的激发之下，并获得感兴趣的光学或电子图像， 现代的电子探针系统都备有光学显微镜和扫描电子显微镜。 4 波谱仪，波谱仪又称分光器，是电子探针的核心部件，从样品表面 发射的x 射线经样品室上的窗口射入波谱仪，并由其上的分光晶体 展谱后由接受系统记录谱线强度。为了适应对轻重不同元素的分析， 现代的电子探针都配备有多个检测通道，每个通道负责检测元素周 期表上一组元素。本文工作中使用的电子探针配备有4 个检测通道， 每个通道含有两块不同的分光晶体。所谓分光晶体就是一些人工、 天然晶体或皂膜伪晶体。当样品在电子束流的轰击下产生的x 射线 进入分光晶体后，对于满足布拉格关系的入射x 射线将获得衍射， 从而将不同种类的元素分开，而通过改变分光晶体的位置来调整掠 射角，就可以探测多个不同的元素。值得一提的是，对于b e 、b 、 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 c 、n 等轻元素由于其发射的x 射线波长在1 3 0 一2 0 埃，迄今为止 还没有发现面间距达几十埃的天然或人工晶体，因此，人们研制了 种称为皂膜伪晶体的特殊色散元件，它是在脂肪酸键上附加重金 属原子，并使这些金属原子排列在一张基底上，形成单分子层，再 将这种分子一层一层叠起来形成1 0 0 一1 5 0 层的堆积。近年来由于对 轻元素分光晶体的合成水平的提高以及相应数据处理算法的改进使 电子探针对轻元素的分析精度不断提高，这也是电子探针获得广泛 使用的一个原因。 5 接收记录系统，经波谱仪展谱后，由接受系统记录谱线的强度，接 收系统有正比计数管、主放大器、脉冲分析器、定标器、计数率仪 等组成，x 射线经上述系统转换成模拟电子信号，送入接口单元内 的a d 转换板卡处理，转换成数字信号并送入工作站供显示、处理、 存储。除此之外，该系统还可以接受包含样品成分信息的x 射线、 包含形貌衬度的二次电子以及吸收电子、背散射电子等信号。 6 辅助系统，辅助系统包括高压直流电源、透镜电源、真空系统以及 冷却水系统等。 ( 2 ) 电子探针的功能 1 成分分析：前已述及，电子探针适合于对t tm 量级的区域的化学成分 的分析测定，这种分析分为两个层次。 第一：对“单点”的定性分析，初步确定该区域“有什么”元素，同 时给出精度相对较低的测量结果。 第二，对“单点”的定量分析，利用高纯度的标准样品作为标准并通 过和未知成分样品作对比，得出高精度的测量结果。此外现代电子探 针大都提供对一维直线和二维平面的线扫描和面扫描功能。即对样品 表面上选定的直线或平面区域内所有“点”进行测量，然后依据测量 结果得出沿直线方向或平面范围内元素的分布情况。此项功能特别适 用于研究扩散、固态相变等材料中基本的微观现象，也是本文工作中 主要使用的方法之一。此外，基于上述的测量结果，该系统还提供对 薄膜材料的模拟程序以及三元系系统各成分的分布等附加数据处理 功能，使得定性、定量分析方法得以进一步完善。 2 图像显示：该系统提供有多种图像功能，从简单的用于初步选择分析 区域的光学图像到下列包含有各种不同衬度来源的电子图像： f i ) 反映样品表面形貌特征的二次电子图像。 ( i i1 既包含形貌信息又包含成分信息的背散射电子图像。 ( i i i l 反映元素原子原子量不同的吸收电子像。 ( i v ) 显示不同元素分布情况的x 射线像。 使用者可以根据个人感兴趣的微观信息选择不同的图形进行观察拍照。所 以可以满足大部分的研究工作要求。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 2 1 2 扫描电镜 图2 2 是本文工作中使用的j e o l - - 5 6 0 0 l v 扫描电镜的结构示意图。 图2 - 2j e o l 5 6 0 0 l v 扫描电镜结构示意图5 】 f i g 2 2 s k e t c hm a po ft h ea r c h i t e c t u r eo fs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e j e o l 一5 6 0 0 l v 5 】 ( 1 ) 扫描电镜结构 从图中可见，扫描电镜大体可以分成电子光学系统、控制台、控制计 算机。此外还有辅助的电源、真空、冷却系统等。扫描电镜的电子光学系 统与电子探针类似，也是由电子枪、电磁透镜等组成。 此外该系统的电子光学系统配备有能量分散谱仪( e d s ) 检测探头、 用于能谱分析的h p 工作站。能谱检测探头原理如图2 3 所示。 鼍 辅慧应体tp t p e ( 日乙) s i ( u ) 检潮嚣撼* 翁构；i ；蠢田 图2 - 3s i ( l i ) 检测器探头结构示意图2 1 f i g 2 3s k e t c hm a p o fs i ( l i ) d e t e c t o r 1 0 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 检测探头接收x 射线光子，其核心部件是s i ( l i ) 检测器，当x 射线光子 通过铍窗口进入检测器后，即被s i 原子俘获，此过程中s i 原子吸收x 射 线光子后发射一个高能电子，光电子在探测器中运动时发生非弹性散射， 产生电子一空穴对。同时处于激发状态的s i 原子也发射俄歇电子或s i 的特 征x 射线，俄歇电子与x 射线也会在探测器中产生电子一空穴对，并最终 将能量消耗，也就是说一个x 射线光子能量消耗于探测器中。同时产生一 定量的电子一空穴对，由于不同元素的核外电子由激发态向稳态跃迁时产 生的特征x 射线不同，而且同一元素原子的不同电子层受激产生的特征x 射线也不同，因此对应产生的电子一空穴对数量也不同，通过上述探头将 产生的电子收集转换为电压信号，就可以依据此信号的不同来区分不同元 素，图中的液氮是用来保持检测器处于恒定的温度下，。同时对进行微弱信 号放大的场效应管起冷却作用，以便尽可能减少由于热噪声产生的误差。 综上所述，能谱仪即将受 电子束激发的不同原子 或同种原子不同线系产 生的特征x 射线转换成 不同量值的能量来区分 不同元素。与波谱仪相比 能谱仪具有分析速度快， 灵敏度高等优点，但能量 分辨率较低，工作条件要 求苛刻( 必须处于液氮冷 却环境下) 。 ( 2 ) 扫描电镜的功能 扫描电镜的主要功 能就是成像，其成像的光 路图示于图2 4 中。如 图所示在扫描电镜电子 光学系统末端装有偏转 系统，利用上、下两组偏 转线圈，使电子束能够在 样品表面在水平与垂直 两个方向上扫描，在扫描 过程中入射电子束与样 品相互作用产生相应的 信号，这些信号由对应的 图2 - 4 扫描电镜光路示意图口1 f i g2 - 4s k e t c hm a p o fs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p el i g h tr o u t e 1 1 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 信号检测器，如二次电子探头、背散射探头收集，经过放大系统放大显示在显 示器上。扫描电镜都提供二次电子像与背散射电子像。 i n c ! d n te l e c t r o nb e q m 气：! r 一l 在单电子激发过程中被入射电子轰 击出来的核外电子叫做二次电子，其产额 除了与入射电子束的能量有关外还与样 品的倾斜角度有关 3 】，如图2 5 所示。 其产额与样品倾斜角的关系为6 。c ( 1 c o s0 ) “。对轻元素n = 1 3 对中等元素 n = l ，对重元素n = 0 8 。因此二次电子像能 够反映样品表面的形貌特征，所以特别适 合断口的分析，这也是本文工作中所着重 使用的一种方法。所谓背散射电子就是被 样品表面反射回来的一部分电子，其产额 随原子序数的增加而增大，同时也与表面 形貌有关，但不如二次电子敏感，所以背 图2 5 形貌衬度形成原理图嘲散射像可用于平面样品成分的分析。 f i g 2 - 5p r i n c i p l ec h a r to f c o n t r a s tf o r m i n g 2 1 3 透射电镜 透射电子显微镜是利用由几组电磁透镜使经高电压( 1 0 0 k v ) 加速的电子束 流透过试样，从而获得其微观信息的分析设备。 ( 1 ) 透射电镜组成 本文中所使用的j e m c x i i 有以下几个部分组成：电子光学系统、真 空与供电系统、控制部分。图2 6 是j e m c x i i 镜筒的示意图及电子束光 路。由图可见平行于镜筒的电子束通过物镜、中间镜、投射镜的三级放大， 在镜筒末端的荧光屏上得到放大的图像，所得的图像可以利用荧光屏下的 相机拍摄，物镜像面上的视场光栏是为了选择视场以进一步进行选区衍射。 ( 2 ) 透射电镜的功能 由上述介绍可见，透射电镜可提供样品的衍衬图像或选区衍射花样。 当入射电子束与薄膜样品中各不同晶面发生作用，严格满足或不严格满足 布拉格条件的晶面使电子束发生衍射，不满足布拉格条件的晶面不产生衍 射束【6 1 。如果让透射束通过物镜光阑成像，由于前述原因将导致透射电子 束相应强度的变化，从而形成衬度，借此来反映材料的微观信息。按照成 像时是以透射束成像还是以衍射束成像的不同方式，分为明场像、暗场像 两类。本文研究工作中大量使用了明场像。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 疆囊蟹慑光蠹区衍射兜麝 v v 1 灯丝2 橱3 阳极4 枪倾斜5 枪平移6 一级暴光镜 7 ：级聚光镜8 聚光镜光栏9 光倾斜l o 光平穆1 1 试样架 t 2 豹境1 3 物镜光栏1 4 选区光栏1 5 冲问镌1 6 投影馈t 7 荧光屏 图2 6 透射电镜的镜筒及光路分布示意图 f i g 2 - 6s k e t c hm a po f t h ed r a w t u b ea n dl i g h tr o u t eo f t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e 1 3 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 2 2 研究方法 本文所述研究工作对2 0 9 低碳钢样品进行一系列宏观、微观分析测试，提 取其中随时间延长而变化的信息。 2 2 1 样品的获得 本文所述分析工作中样品来源分成以下三个方面： 一为了获得不同运行时间段的低碳钢样品，收集了来自火力发电厂中经 不同使用时间的低碳钢管道样品，其中大部分发生了爆管事故，其详 细情况如表2 1 所示。 表2 1 取自火力发电厂的低碳钢样品 样品编号工作压力工作温度运行时间取样时状态 二为了进一步扩展观察分析范围，希望取得相当于运行更长时间的低碳 钢样品，在本文中是利用实验方法来实现的。由于如果在上述条件下 低碳钢完全球化需要时间很长，远远超过实验条件及设备所能承受的 范围。因此不可能完全按上述的条件进行实验模拟，故本文中采用提 高实验温度的方法，来缩短实验时间。下面简要探讨其理论依据，文 献7 1 中述及低碳钢完全球化所需时间与温度满足下面的经验公式： r = 4 e x p ( t b - ) 其中t 为完全球化时间，a 为由化学成分、组织特征决定的常数， b 为常数，对碳素钢b = 3 3 0 0 0 ，t 为实验温度。 同时依照已有的实验结果，在4 8 2 。c 时低碳钢完全球化需要9 0 0 0 0 小时。根据上述的公式和数据就可以估算低碳钢球化的时间。 设：在t l 温度下低碳钢完全球化时间为t1 ，则有r l = 4 e x p 三) ( 1 ) 在t 2 温度下低碳钢完全球化时间为t2 ，则有r 2 = a e x p ( 羔) ( 2 ) ( 1 ) ，( 2 ) 两式相除有： 石v l = e x p b + ( 击一劫 ( 3 ) 1 4 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 即 f 2 ： ! ! e x p b ( 击l 利用已知的数据，t1 = 9 0 0 0 0 小时t l = 4 8 2 + 2 7 3 = 7 5 5 k 可以估算不同温度下低碳 钢完全化所需时间，如表2 - 2 所示 表2 2 低碳钢在不同温度下完全球化所需要的时间 t a b l e2 - 2t i m ec o n s u m e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef o rl o wc a r b o ns t e e l 温度( ) 完全球化时间( 小时) 温度( )完全球化时间( 小时) 综合上述估算数据、现有实验条件、时间等因素，制定如下实验方案： ( 1 ) 选取6 0 0 温度，保温1 2 0 小时获得中度球化的低碳钢样品。 ( 2 ) 选取6 5 0 c 温度，保温6 小时获得轻度球化的低碳钢样品。 ( 3 ) 选取7 0 0 。c 温度，保温5 小时获得完全球化的低碳钢样品。 三取未经使用的相同牌号及供货状态的钢管材料作为对比。 使用与上述电厂实际运行相同供货状态的未使用2 0 9 作为实验用料，s x 2 型箱式电阻炉、w r n 一0 1 0 镍铬一镍硅热电偶、x m t 一4 d l l 温度控制器作为热处理 工具完成上述的实验方案。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 2 2 2 各类实验样品的制各 按照宏观和微观分析两个不同实验方向，分别制各样品： 1 宏观机械性能： 将按上述方法获得的各类样品，按g b 6 3 9 7 8 6 标准制成拉伸试样，按 g b 2 1 0 6 8 0 制成冲击试样。 2 微观分析： ( 1 ) 金相样品：取上述的样品制成金相样品，供金相、扫描电镜、电 子探针分析之用。 ( 2 ) 透射电镜样品： ( a ) 试样截取，使用w e d m 型线切割机床，从原始样品上截取 厚度为0 6 m m 薄片。 ( b ) 机械减薄，使用5 0 2 胶水将小块样品贴附于较大且表面平整 的块状金属上，以便于握住。在金相研磨机上用金相砂纸研 磨，获得表面较为光洁的片状样品即可，再用丙酮浸泡前述 样块以溶解5 0 2 胶水。将小块样品取下，按上述相同方法对 另一面作相同处理，直至减薄至0 1 m 0 5 r a m 为止。 ( c ) 电解双喷，将机械减薄的样品连同金属块一起浸入丙酮溶 液。待5 0 2 胶水溶解后取下样品，用丙酮、清水清洗后吹干， 再冲制成直径3 m m 的圆片样品。以备下一步进行电解双喷 之用。图2 7 是m t p 1 型电解双喷减薄设备示意图，将前 述园片样品置于部件6 支架的铂片上，并用样品夹具固定。 向电解槽中注入作为电解液的高氯酸，再倒入作为冷却液的 液氮，以防止在减薄过程中试样过热而发生相变。正确接好 电源后，打开开关。电解液在耐酸泵的作用下，从样品两侧 的对称喷嘴3 、4 向圆片样品中心喷射抛光，同时通过磁力 驱动转子来搅拌电解液。当样品穿孔时，自样品一侧光源发 出的光线经孔洞被另一侧的光信号触发光敏电阻接收，同时 产生声音形式的报警信号，此时即可停止。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 1 净扭槽：- 鞋馥泵丑电解涟3o 嚷嘴 5 试样6 试样支梁7 - t 泡8 一铂丝弱程 图2 7 电解双喷减薄设备原理示意图8 f i g2 - 7s k e t c hm a p o f t h e p r i n c i p l eo f e l e c t r o l y z et h i n n i n ge q u i p m e n t ( d ) 取下电解双喷支架，浸入盛有乙醇的烧杯中，溶解试样表面的 高氯酸电解液，然后将样品从支架上取下，浸入另一个盛有乙 醇的烧杯中进一步清洗。清洗过后的样品置于滤纸上千燥，待 用。所有样品制备完成后，应对电解液进行回收，对设备进行 清洗。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 参考文献： 1 徐翠章电子探针分析原理北京科学出版社 1 9 9 0 年1 6 0 2 常铁军、祁欣材料近代分析测试方法哈尔滨哈尔滨工业大学出版社1 9 9 9 年 3 6 - 8 0 3 左演声、陈文哲、梁伟材料现代分析方法北京北京工业大学出版社2 0 0 0 年1 2 月 3 0 6 0 4 】i n t r o d u c t i o no f e p m a o f s h i m u d z a 日本岛津制作所l - 3 0 5 1 i n s t r u c t i o no f s e m j s m 5 6 0 0 l v日本日本电子l 一3 5 6 6 章燕谋锅炉与压力容器用钢 西安西安交大出版社1 9 8 0 年l - 8 0 7 黄孝瑛电子显微镜图像分析原理与应用北京宇航出版社1 9 8 9 年1 - 6 53 8 6 - 4 3 7 f 8 陈世朴、王永瑞金属电子显微分析 北京机械工业出版社1 9 8 2 年2 0 6 0 1 8 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 第三章实验结果及总结 使用第二章所述的实验设备与研究方法，获取了低碳钢在运行过程中性能 与微观结构变化的信息。本章列举了本文研究工作中所发现的现象，并对其中 规律性的现象进行总结。 3 1 宏观机械性能 对经历不同运行时间的低碳钢管道样品分别测定ob 、os 、6 、a k 四项室 温机械性能指标，每一项选取三支样品，取其平均值作为最终实验结果，对所 得数据的变化趋势进行拟合，上述四项机械性能指标与运行时间关系分别示于 图3 1 一图3 4 中。 抗拉强度口b ( m p a ) 标准上限5 4 95 4 0 ( g b 5 3 1 0 - 8 5 ) 5 2 0 s 4 8 0 拍o 4 4 0 标准下限4 1 24 2 0 4 0 0 03691 21 51 82 1 2 42 7 运行时问( 万小时) 图3 1 运行不同时间的管道样品的抗拉强度 f i g3 - 1d i a g r a m f o rt e n s i l es t r e n g t ho f s p e c i m e n i nd i f f e r e n t w o r k i n g t i m ep i p e l i n e 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 蹦服强度 as ( 肿a ) 3 8 0 3 6 0 弘0 3 2 0 3 0 0 2 8 0 g b 5 3 1 0 , 8 5 能n 标准要求捌” 2 4 5 2 4 0 运行时何( 万小时) 图3 2 运行不同时间管道样品的屈服强度 f i g3 - 2d i a g r a m f o r y i e l ds t r e n g t ho f s p e c i m e n i nd i f f e r e n t w o r k i n g t i m e p i p e l i n e 仲长率6 ( ) 4 0 g b5 3 1 0 8 5 标准要求皓 2 4 鼍 03691 21 51 82 1 2 42 7 运行时问( 万小时) 图3 3 运行不同时间的管道样品的伸长率 f i g3 - 3d i a g r a m f o re l o n g a t i o nr a t eo f s p e c i m e n i nd i f f e r e n t w o r k i n g t i m e p i p e l i n e 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 冲击功( j ) 5 5 g b 5 3 1 0 8 5 标准要求5 0 ，4 9 4 5 4 0 3 5 3 0 036目1 21 5l s2 l2 42 7 运行时问( 万小时) 图3 4 运行不同时间的管道样品的冲击功 f i g3 - 4d i a g r a m f o ri m p a c tw o r ko f s p e c i m e n i nd i f f e r e n t w o r k i n g t i m e p i p e l i n e 从以上各图可见，在经历不同运行时间后，大部分管道的材料室温机械性 能发生了变化。在性能指标中，强度指标ob 、os 有小幅度的升高，塑性与延 性指标1 l ，、6 有少量下降，冲击韧性有明显下降，所有经使用的2 0 9 低碳钢的 冲击韧性均低于2 0 9 标准要求。因此从性能看，火电机组用低碳钢在使用过程 中的室温机械性能的变化特征是随运行时间的延长，材料发生了一定程度的脆 化。而火力发电厂生产过程中管道往往要承受交变或冲击载荷的作用，因此材 料的脆化就可能导致无任何先兆的突发性事故而成为安全生产的隐患。值得一 提的是不同的取样部位对机械性能测量结果也有影响，在弯管部位测得的强度 指标往往高于直管部位，而塑性与延性指标则相对较低。这是由于在火力发电 厂中此类管道的弯曲部位往往是经冷加工而成，一般又未进行热处理，因此使 弯管部位保留了部分加工硬化及残余应力，随时间的延长发生应变时效所致。 这又进一步加重了材料的脆化。 火电机组用低碳钢时效特征与机理研究 3 2 微观结构 3 2 1 金相组织的时效特征 为了解低碳钢在使用过程中微观组织结构的变化，利用m e f 一3 型金相显微 镜观察取自运行不同时间的低碳钢管道的样品与采用实验方法获得低碳钢样品 的微观金相组织，观察结果示于图3 5 一图3 - 11 中。 图3 5 未使用的2 0 9 金相组织 图3 - 6 运行