電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑及浸蝕方法

李廣龍，劉 爽，胡新芳

（1.山東里彥發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 273517；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑及浸蝕方法

李廣龍1，劉 爽2，胡新芳2

（1.山東里彥發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)寧 273517；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

現(xiàn)有的金相浸蝕劑對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后的電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼受熱面管的浸蝕效果不佳。研究一種專用的金相浸蝕劑及浸蝕方法，能夠?qū)⒔?jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后的18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼受熱面管的晶界、在奧氏體晶粒內(nèi)部和晶界上出現(xiàn)的化合物M23C6和金屬間化合物σ相等奧氏體晶粒析出相、嚴(yán)重過(guò)熱老化后晶界上出現(xiàn)的蠕變孔洞等形貌特征顯示清楚，浸蝕速度容易控制。該金相浸蝕劑具備一定化學(xué)拋光作用，配制方便、配方簡(jiǎn)單、使用安全。

奧氏體不銹鋼；浸蝕劑；浸蝕方法

0 引言

奧氏體不銹鋼以其較高的蠕變強(qiáng)度、良好的組織穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗煙氣腐蝕和蒸汽氧化性能，在制造電站鍋爐受熱面中得到了大量的應(yīng)用，大部分奧氏體不銹鋼均是在18-8型（18Cr-8Ni）奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)［1］。目前，電站鍋爐常用的18-8型奧氏體不銹鋼主要有SA-213TP304H、SA-213TP347H、SA-213TP347HFG等。

電站鍋爐受熱面管都在高溫高壓的條件下運(yùn)行，管子外表面的煙氣溫度超過(guò)1 000℃，管子內(nèi)流動(dòng)的水蒸汽溫度在540℃以上，壓力達(dá)16 MPa以上，運(yùn)行條件極為惡劣。在長(zhǎng)期高溫高壓服役過(guò)程中，奧氏體晶粒會(huì)在晶內(nèi)和晶界上析出碳化物M23C6和金屬間化合物 σ相［2-4］，降低其強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕性能，嚴(yán)重威脅鍋爐安全運(yùn)行。因此，對(duì)18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼受熱面管子的金相檢測(cè)是DL／T 438—2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》和TSG G 7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》規(guī)定必須進(jìn)行檢測(cè)的項(xiàng)目。

1 常用奧氏體不銹鋼浸蝕劑

奧氏體不銹鋼的金相浸蝕劑常用的如王水、三氯化鐵鹽酸水溶液等。王水的腐蝕能力非常強(qiáng)，而經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行的奧氏體不銹鋼已經(jīng)老化，耐腐蝕能力下降，浸蝕速度過(guò)快，很難控制浸蝕的進(jìn)程，所以，對(duì)奧氏體晶粒的晶界浸蝕往往過(guò)重，不能真實(shí)的顯示出晶界形貌和在晶粒內(nèi)部和晶界上析出的碳化物M23C6和金屬間化合物σ相，如圖1所示。王水的腐蝕性和揮發(fā)性都很強(qiáng)，使用時(shí)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)人員很不安全。三氯化鐵鹽酸水溶液的腐蝕能力與王水相比要弱，能夠較好地顯示出奧氏體晶界，但對(duì)奧氏體晶粒內(nèi)部和晶界上析出的碳化物M23C6和金屬間化合物σ相顯示效果不好，而且在浸蝕過(guò)程中產(chǎn)生的污物容易粘附在金相試樣表面，不易沖洗干凈，影響了對(duì)金相組織的觀察［5］，如圖2所示。

中國(guó)發(fā)明專利CN101353794A公開(kāi)了一種奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑及其配制方法和應(yīng)用，該金相浸蝕劑是氫氟酸與硝酸的混合溶液，按體積比計(jì)量，各組分的比例分別為：氫氟酸∶硝酸∶水=2∶1∶7。該配方浸蝕能力較弱，浸蝕時(shí)間需要20～60 min，檢測(cè)效率很低，并且氫氟酸的含量較高，對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)人員健康不利，因此，不適用鍋爐受熱面管用18-8型鉻鎳對(duì)奧氏體不銹鋼的金相檢測(cè)。

圖1 王水浸蝕后奧氏體晶粒形貌

圖2 三氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后奧氏體晶粒形貌

中國(guó)發(fā)明專利CN101760742A公開(kāi)了一種奧氏體不銹鋼變形層和基體組織顯示的浸蝕劑制備及應(yīng)用方法，該發(fā)明專利是在王水中加入水，降低其揮發(fā)性，增加其穩(wěn)定性，也降低了其浸蝕性能，再增加硝酸量同時(shí)加入氫氟酸增強(qiáng)其浸蝕性能。為了增加浸蝕劑的活性，考慮到奧氏體不銹鋼主要元素為鐵，該發(fā)明選擇了加入少量的三氯化鐵作為活性劑。該發(fā)明對(duì)奧氏體變形層微觀組織顯示效果好，奧氏體晶界清晰，浸蝕速度易于控制，浸蝕劑重復(fù)使用性強(qiáng)，對(duì)檢驗(yàn)人員和環(huán)境的危害都很小。

該發(fā)明專利的配方是針對(duì)常溫下使用的或原始組織狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼浸蝕劑，但對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后的奧氏體不銹鋼進(jìn)行浸蝕，其浸蝕能力較強(qiáng)，對(duì)奧氏體晶界的浸蝕速度過(guò)快，使得奧氏體晶粒內(nèi)部和晶界上析出的碳化物M23C6和金屬間化合物σ相顯示效果不好，無(wú)法準(zhǔn)確顯示組織狀態(tài)，并且浸蝕速度過(guò)快會(huì)使得試驗(yàn)檢測(cè)人員在浸蝕過(guò)程中不容易掌握浸蝕的進(jìn)程，因此，兩種發(fā)明不適用于鍋爐受熱面管用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼的金相浸蝕。

另外，奧氏體不銹鋼的硬度低，屬于較難拋光的鋼鐵材料，在實(shí)驗(yàn)室金相檢測(cè)時(shí)，拋光過(guò)程主要采用機(jī)械拋光，往往有些細(xì)微的劃痕不能拋掉，而這些細(xì)微的劃痕在金相顯微鏡下與奧氏體不銹鋼的晶界形貌基本類似，就會(huì)對(duì)奧氏體不銹鋼金相組織的觀察結(jié)果產(chǎn)生影響。所以，如果浸蝕劑具備一定的化學(xué)拋光能力，就能在浸蝕過(guò)程中將這些細(xì)微的劃痕拋掉，提高金相制備的質(zhì)量和工作效率。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，需要研制一種能夠?qū)⒔?jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后的18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼受熱面管的晶界、在奧氏體晶粒內(nèi)部和晶界上出現(xiàn)的化物M23C6和金屬間化合物σ相等析出相、嚴(yán)重過(guò)熱老化后晶界上出現(xiàn)的蠕變孔洞及因腐蝕產(chǎn)生的沿晶裂紋等形貌特征顯示清楚，浸蝕速度容易控制，具備一定化學(xué)拋光作用，配制方便，配方簡(jiǎn)單，使用安全的金相浸蝕劑。

2 電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑及浸蝕方法

2.1 金相浸蝕劑的配方

電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑的配方以王水的配比為基礎(chǔ)，在經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低鹽酸、硝酸的濃度，調(diào)整鹽酸、硝酸的配比，并加入少量氫氟酸，調(diào)節(jié)浸蝕速度，并保證浸蝕劑有一定的化學(xué)拋光能力。分析純乙醇作為溶劑能夠有效控制擴(kuò)散和流動(dòng)速度，對(duì)金相試樣表面浸蝕均勻，浸蝕速度容易掌握，同時(shí)，也稀釋了分析純鹽酸、分析純氫氟酸、分析純硝酸的濃度，降低了浸蝕性能，使用更加安全。又通過(guò)加入十二烷基磺酸鈉作為表面活性劑，提高了浸蝕劑的活性，防止浸蝕過(guò)程中形成的污物粘附在檢測(cè)表面，保證晶界上析出碳化物M23C6和金屬間化合物σ相等析出相能夠顯示清楚。

該奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑由分析純鹽酸、分析純硝酸、分析純氫氟酸、分析純十二烷基磺酸鈉和分析純無(wú)水乙醇組成，各組分的體積分?jǐn)?shù)或質(zhì)量濃度分別為：分析純鹽酸350 mL／L，分析純硝酸100 mL／L，分析純氫氟酸50 mL／L，分析純十二烷基磺酸鈉5 g／L，分析純無(wú)水乙醇余量。

2.2 金相浸蝕劑的配制方法

根據(jù)浸蝕劑主要成分的特性，配制方法及具體步驟如下（以配制100 ml浸蝕劑為例）。

1）用量筒量取50 mL分析純無(wú)水乙醇，倒入塑料試劑瓶?jī)?nèi)；

2）用量筒量取35 mL分析純鹽酸，加入塑料試劑瓶?jī)?nèi)，加入時(shí)要用玻璃棒引流，緩緩加入，加入后用玻璃棒攪拌均勻；

3）用量筒量取10 mL分析純硝酸，加入塑料試劑瓶?jī)?nèi)，加入過(guò)程要用玻璃棒引流，緩緩加入，加入一半時(shí)用玻璃棒攪拌均勻，再加剩下的部分；

4）用天平稱取分析純十二烷基磺酸鈉0.5 g，加入塑料試劑瓶?jī)?nèi)，加入后用玻璃攪拌均勻；

5）用塑料量筒量取分析純氫氟酸5 mL，緩緩加入塑料試劑瓶?jī)?nèi)，用塑料棒攪拌均勻；

6）靜置12h后即可使用。

2.3 金相浸蝕劑的浸蝕方法

根據(jù)浸蝕劑的浸蝕能力及18-8型鉻鎳電站鍋爐奧氏體不銹鋼的老化程度，其浸蝕方法及具體步驟為：

1）將奧氏體不銹鋼取樣管進(jìn)行金相制樣，制樣過(guò)程主要包括粗磨、細(xì)磨、機(jī)械拋光、清洗、吹干；

2）將取樣管的金相磨面全部浸入浸蝕劑中，浸入深度控制在3～5 mm，浸入后可以輕輕晃動(dòng)，去除試樣表面吸附的氣泡，浸蝕時(shí)間控制在20～30 s；

3）用無(wú)水酒精將浸蝕表面沖洗干凈；

4）沖洗干凈后，立即將浸蝕表面倒扣在一張定性濾紙上，用手摁在取樣管的另一端，讓濾紙將浸蝕表面殘余的酒精吸走，同時(shí)，用吹風(fēng)機(jī)在側(cè)面用冷風(fēng)對(duì)浸蝕表面與濾紙結(jié)合處進(jìn)行吹掃，吹掃的時(shí)候，吹風(fēng)機(jī)要選擇小風(fēng)量檔位，吹風(fēng)口距離浸蝕表面與濾紙結(jié)合處要大于100 mm，能夠有效促進(jìn)浸蝕面上殘余的酒精快速揮發(fā)或被濾紙吸收，有效消除檢測(cè)面上的酒精跡，得到良好的金相觀察面。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后及出現(xiàn)蠕變孔洞的18-8型鉻鎳電站鍋爐奧氏體不銹鋼受熱面管進(jìn)行取樣，分別采用該浸蝕劑和浸蝕方法對(duì)取樣管浸蝕后進(jìn)行金相組織分析，如圖3～8所示。

圖3 運(yùn)行11.8萬(wàn)h后的金相組織形貌

圖4 長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱后蠕變孔洞及金相組織形貌

圖5 短時(shí)過(guò)熱爆口附近金相組織形貌

圖6 短時(shí)過(guò)熱爆口邊緣金相組織形貌

圖7 運(yùn)行13.2萬(wàn)h后金相組織形貌

圖8 運(yùn)行13.2萬(wàn)h后金相組織形貌（放大）

圖3為SA-213TP347H材質(zhì)的某1 028 t／h亞臨界電站鍋爐受熱面管，運(yùn)行11.8萬(wàn)h后的金相組織形貌；圖4為SA-213TP304H材質(zhì)的某2 102 t／h超臨界電站鍋爐受熱面管高溫過(guò)熱器管，發(fā)生長(zhǎng)時(shí)過(guò)熱出現(xiàn)嚴(yán)重老化，奧氏體晶界上出現(xiàn)蠕變孔洞的金相組織形貌；圖5～6為SA-213TP347H材質(zhì)的某3 000 t／h超超臨界電站鍋爐受熱面管，運(yùn)行2.6萬(wàn)h發(fā)生短時(shí)過(guò)熱爆管后，爆口邊緣及爆口附近出現(xiàn)蠕變孔洞的金相組織形貌；圖7～8為SA-213TP347H材質(zhì)的某2 020 t／h亞臨界電站鍋爐受熱面管，運(yùn)行13.2萬(wàn)h后的金相組織形貌。

從圖3～8可以看出，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫高壓運(yùn)行后及出現(xiàn)蠕變孔洞的18-8型鉻鎳電站鍋爐奧氏體不銹鋼受熱面管，經(jīng)過(guò)該浸蝕劑的浸蝕，金相組織形貌顯示清晰，奧氏體晶界、在晶粒內(nèi)部和晶界上的碳化物M23C6和金屬間化合物σ相等析出相、蠕變孔洞等形貌細(xì)節(jié)顯示清楚，具有良好的浸蝕效果。整個(gè)金相觀察面基本沒(méi)有細(xì)微劃痕，說(shuō)明浸蝕劑具有一定的化學(xué)拋光作用，能夠把浸蝕面上的細(xì)小劃痕等拋掉。分析純乙醇和分析純十二烷基磺酸鈉能夠提高浸蝕劑的活性，使容易粘附在金相試樣表面的污物能夠快速溶解，提高金相制作質(zhì)量，便于對(duì)組織的觀察分析，保證金相試樣制作質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

研制一種電站鍋爐用18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼金相浸蝕劑和浸蝕方法該浸蝕劑及浸蝕方法，能夠?qū)W氏體組織的晶界、在奧氏體晶粒內(nèi)和晶界上出現(xiàn)的碳化物M23C6和金屬間化合物σ相等析出相、嚴(yán)重過(guò)熱老化后晶界上出現(xiàn)的蠕變孔洞等形貌特征顯示清楚；浸蝕劑和浸蝕方法能夠有效控制浸蝕速度，使實(shí)驗(yàn)人員容易掌握；具備一定化學(xué)拋光作用，能夠把浸蝕面上細(xì)小的劃痕、不平整表面等拋掉；分析純乙醇和分析純十二烷基磺酸鈉能夠提高了浸蝕劑的活性，使容易粘附在金相試樣表面的污物能夠快速溶解，提高金相制作質(zhì)量，便于對(duì)組織的觀察分析，保證金相試樣制作質(zhì)量；該浸蝕劑與王水相比，鹽酸、硝酸的濃度低，使用安全，可以在常溫下使用和保存，便于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)受熱面管金相檢測(cè)時(shí)使用。另外，浸蝕劑的主要成分為常用化學(xué)試劑，容易獲得，配制使用簡(jiǎn)單方便。

［1］馬紅，賀錫鵬，鄭坊平，等.18-8型奧氏體不銹鋼鍋爐管服役特性研究（一）［J］.熱力發(fā)電，2012，41（1）：46-49.

［2］SOURMAIL T.Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels［J］.Materials Science and Technology，2001，17（1）：1-14.

［3］胡平，王志武，李正剛.TP304H奧氏體不銹鋼鍋爐管長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后的組織變化分析和研究［J］.廣東電力，2010，23（5）：16-19.

［4］趙永寧，岳增武.TP304H奧氏體耐熱鋼鍋爐管的組織性能研究［J］.熱力發(fā)電，2009，38（3）：56-60.

［5］董加坤.制作奧氏體不銹鋼金相試樣的高效侵蝕劑配方及使用方法［J］.金屬熱處理，2011，36（5）：133-135.

Metallurgical Etchant and Etching Method for 18-8 Cr-Ni Austenitic Stainless Steel of the Power Plant Boiler

LI Guanglong1，LIU Shuang2，HU Xinfang2
（1.Shandong Liyan Electric Power Generation Co.，Ltd.，Jining 273517，China；2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The existing metallurgical etchant does not work well for etching 18-8 Cr-Ni austenitic stainless steel tube under the long time operation of high temperature and high pressure.A special metallurgical etchant and etching method are researched which can display morphology characteristics，such as the grain boundary of 18-8 Cr-Ni austenitic stainless steel tube under the longtime high temperature and high pressure， austenite grain precipitation phase including the compound M23C6and intermetallic compound σ phase appeared inside of austenite grain，and on the grain boundary and the creep hole on the grain boundary of severe thermal aging clearly.Furthermore，this method can control erosion rate easily.The metallographic reagent has a certain chemical polishing effect，with convenient preparation，simple formula and safety.

austenitic stainless steel；etchant；etching method

TG142.25

A

1007－9904（2017）01－0058－04

2016-09-29

李廣龍（1974），男，工程師，從事電廠金屬技術(shù)監(jiān)督和鍋爐壓力容器檢驗(yàn)工作；

劉 爽（1982），男，高級(jí)工程師，從事火力發(fā)電廠機(jī)組金屬監(jiān)督檢驗(yàn)、電站和電網(wǎng)重要金屬部件的失效分析等方面的研究工作。