《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》是合肥通用機械研究院、合肥通用機械研究院特種設備檢驗站於2013年6月21日申請的發明專利，該專利申請號為201310251232X，公布號為CN103335956A，專利公布日為2013年10月2日，發明人是陳學東、陳濤、劉春嬌、呂運容、范志超。
《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》涉及離心鑄造合金爐管質量評價技術領域，具體涉及一種離心鑄造合金爐管的質量評價方法。該發明確定了由S、Pb、Bi元素構成的成分影響因子f（α）；還確定了由晶粒度等級（DJ）值和金相組織形態（JX）的晶形值而構成的金相影響因子f（β），最終得到判斷爐管材料性能優劣的影響函式f（α,β）＝f（α）＋f（β）；當f（α,β）＜100時，離心鑄造合金爐管無需進行高溫持久性能測試；當f（α,β）＞100時，離心鑄造合金爐管需進行高溫持久性能測試。該發明首次提出了一種對離心鑄造合金爐管的質量評價方法，同時該發明為離心鑄造合金爐管的生產檢測及質量評價提供了一種快速高效的方法，從而極大地減少了資源浪費。
2019年5月16日，《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種離心鑄造合金爐管的檢測方法
- 公布號：CN103335956A
- 公布日：2013年10月2日
- 申請號：201310251232X
- 申請日：2013年6月21日
- 申請人：合肥通用機械研究院、合肥通用機械研究院特種設備檢驗站
- 地址：安徽省合肥市蜀山區長江西路888號
- 發明人：陳學東、陳濤、劉春嬌、呂運容、范志超
- 代理機構：合肥和瑞智慧財產權代理事務所
- 代理人：王挺、劉坤
- Int.Cl.：G01N21/25(2006.01)I；G01N21/31(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
離心鑄造合金爐管廣泛套用於石化、電力、冶金、燃氣等國民經濟的支柱領域，這些爐管一旦發生失效甚至爆炸事故，將嚴重影響整套裝置的長周期安全運行。2013年6月之前爐管的設計製造標準規範發展相對較為滯後，沒有及時開展痕量雜質元素對爐管壽命的影響規律及控制方法研究，造成出廠產品質量控制不嚴密，再加上近年來離心鑄造合金爐管逐漸向高參數和大型化方向發展，服役工況越加複雜和苛刻，最終使得2013年6月之前市場上投用的中國國產離心鑄造合金爐管的實際服役壽命良莠不齊，大量爐管的實際服役壽命甚至只有原來設計壽命的三分之一，失效事故時有發生，給石化行業制氫裝置的長周期安全運行帶來了極大隱患。因此，如何對爐管產品進行質量控制，成為目亟待解決的現實問題。
對於上述出廠產品的質量控制及質量檢測，一般包括化學成分分析、金相組織觀察、常規力學性能測試及高溫持久壽命檢測等過程。其中，化學成分分析、金相組織觀察以及常規性能測試過程相對較簡單，同時耗時較少，在爐管產品出廠之前生產廠家可自行檢測。而高溫持久壽命檢測則需要通過專業檢測系統進行測試，尤其對於較長時間的高溫持久試驗，需要花費大量的時間及資源。
發明內容
專利目的
為了減少2013年6月之前的對所有待檢的離心鑄造合金爐管工件進行高溫持久壽命測試而帶來的資源浪費，《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》提供了一種離心鑄造合金爐管的檢測方法。
技術方案
《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》包括如下步驟：
步驟一、確定對離心鑄造合金爐管材料性能有影響的成分影響因子f（α）和金相影響因子f（β），所述成分影響因子f（α）和金相影響因子f（β）的獲得不分先後； 所述成分影響因子f（α）的獲取步驟如下：
a）對離心鑄造合金爐管材料的化學成分進行分析，確定對離心鑄造合金爐管材料的高溫持久壽命有顯著影響的常量元素的重量含量，並確定離心鑄造合金爐管材料中的痕量元素的重量含量；
所述高溫持久壽命是指在1100℃、17兆帕或1100℃、16兆帕條件下的離心鑄造合金爐管材料的斷裂時間；
所述常量元素至少包括S；
所述痕量元素至少包括Pb和Bi；
b）根據步驟a）獲得的S、Pb、Bi元素的重量含量，確定成分影響因子f（α）如式（1）所示：
式（1）中ω（S），ω（Pb），ω（Bi）分別為S、Pb、Bi元素在離心鑄造合金爐管材料中的重量含量，單位為ppm；a的取值範圍為（0.18，0.22）；b的取值範圍為（1.2，1.8）；c的取值範圍為（28，32）；f（α）單位為1；
所述金相影響因子f（β）的獲取步驟如下：
c）對離心鑄造合金爐管材料進行電解浸蝕，並按照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》對浸蝕後的離心鑄造合金爐管材料的晶粒度評級，獲得離心鑄造合金爐管材料的晶粒度等級DJ並賦值，當晶粒度等級為5-5.5級時，晶粒度等級值取1，其它，則取10；
對離心鑄造合金爐管材料進行電解浸蝕，並通過金相顯微鏡觀察離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態，確定離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態JX並賦值，當晶粒形狀為交叉生長的柱狀晶時，晶形值取1；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例小於20％時，晶形值取8；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例大於20％時，晶形值取18；
d）根據步驟c）獲得的晶粒度等級值以及晶形值，確定金相影響因子f（β）如式（2）所示：
式（2）中f（β）單位為1；
步驟二、根據步驟一獲得的成分影響因子f（α）以及金相影響因子f（β），確定判斷離心鑄造合金爐管材料性能優劣的影響函式f（α,β）如式（3）所示：
該發明還可以通過以下技術措施得以進一步實現：
優選的，所述離心鑄造合金爐管材料包括25Cr35NiNb和35Cr45NiNb。
優選的，所述步驟一的步驟a）中，常量元素還包括C、Si、Mn、P、Cr、Ni和Nb。 優選的，所述步驟一的步驟b）中，a的取值為0.2，b的取值為1.5，c的取值為30。 優選的，所述步驟一的步驟a）中，通過直讀光譜儀對離心鑄造合金爐管材料的化學成分進行分析，並採用光度計確定離心鑄造合金爐管材料的痕量元素含量。
優選的，所述步驟一的步驟c）中，通過體積分數為10％的草酸水溶液對爐管材料進行電解浸蝕，浸蝕溫度為常溫，時間20秒。
優選的，所述步驟一的步驟c）中，通過金相顯微鏡放大40倍觀察爐管材料的金相組織形態，並確定離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態JX。
改善效果
《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》的有益效果在於：
1）該發明首次提出了一種對離心鑄造合金爐管的檢測方法，同時該發明為離心鑄造合金爐管的生產檢測提供了一種快速高效的方法。
2）該發明中檢測方法的實施可以顯著減少需要進行高溫持久壽命測試的離心鑄造合金爐管工件數量，從而極大地減少了資源浪費。
附圖說明
圖1a為交叉生長的柱狀晶晶粒形狀的示意圖。
圖1b為柱狀晶加等軸晶晶粒形狀的示意圖。
圖1c為全等軸晶晶粒形狀的示意圖。
圖2a為晶粒度等級為2.7級、放大500倍的爐管材料金相組織圖。
圖2b為晶粒度等級為5.2級、放大500倍的爐管材料金相組織圖。
圖3為1#爐管金相組織照片。
圖4為1#爐管微觀組織。
圖5為2#爐管金相組織照片。
圖6為2#爐管微觀組織。
圖7為3#爐管金相組織照片。
圖8為3#爐管微觀組織。
圖9為4#爐管金相組織照片。
圖10為4#爐管微觀組織。
技術領域
《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》涉及離心鑄造合金爐管檢測技術領域，具體涉及一種離心鑄造合金爐管的檢測方法。
權利要求
1.《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》包括如下步驟：步驟一、確定對離心鑄造合金爐管材料性能有影響的成分影響因子f（α）和金相影響因子f（β），所述成分影響因子f（α）和金相影響因子f（β）的獲得不分先後；所述成分影響因子f（α）的獲取步驟如下：
a）對離心鑄造合金爐管材料的化學成分進行分析，確定對離心鑄造合金爐管材料的高溫持久壽命有顯著影響的常量元素的重量含量，並確定離心鑄造合金爐管材料中的痕量元素的重量含量；
所述高溫持久壽命是指在1100℃、17兆帕或1100℃、16兆帕條件下的離心鑄造合金爐管材料的斷裂時間；
所述常量元素至少包括S；所述痕量元素至少包括Pb和Bi；
b）根據步驟a）獲得的S、Pb、Bi元素的重量含量，確定成分影響因子f（α）如式（1）
所示：
式（1）中ω（S），ω（Pb），ω（Bi）分別為S、Pb、Bi元素在離心鑄造合金爐管材料中的重量含量，單位為ppm；a的取值範圍為（0.18，0.22）；b的取值範圍為（1.2，1.8）；c的取值範圍為（28，32）；f（α）單位為1；
所述金相影響因子f（β）的獲取步驟如下：
c）對離心鑄造合金爐管材料進行電解浸蝕，並按照GB/T6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》對浸蝕後的離心鑄造合金爐管材料的晶粒度評級，獲得離心鑄造合金爐管材料的晶粒度等級DJ並賦值，當晶粒度等級為5-5.5級時，晶粒度等級值取1，其它，則取10；對離心鑄造合金爐管材料進行電解浸蝕，並通過金相顯微鏡觀察離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態，確定離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態JX並賦值，當晶粒形狀為交叉生長的柱狀晶時，晶形值取1；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例小於20％時，晶形值取8；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例大於20％時，晶形值取18；
d）根據步驟c）獲得的晶粒度等級值以及晶形值，確定金相影響因子f（β）如式（2）所示：
式（2）中f（β）單位為1；
步驟二、根據步驟一獲得的成分影響因子f（α）以及金相影響因子f（β），確定判斷離心鑄造合金爐管材料性能優劣的影響函式f（α,β）如式（3）所示：
2.根據權利要求1所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵在於：所述離心鑄造合金爐管材料包括25Cr35NiNb和35Cr45NiNb。
3.根據權利要求1所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵在於：所述步驟一的步驟a）中，常量元素還包括C、Si、Mn、P、Cr、Ni和Nb。
4.根據權利要求1所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵是，所述步驟一的步驟b）中，a的取值為0.2，b的取值為1.5，c的取值為30。
5.根據權利要求1～4任一項所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵在於：所述步驟一的步驟a）中，通過直讀光譜儀對離心鑄造合金爐管材料的化學成分進行分析，並採用光度計確定離心鑄造合金爐管材料的痕量元素含量。
6.根據權利要求1～4任一項所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵在於：所述步驟一的步驟c）中，通過體積分數為10％的草酸水溶液對爐管材料進行電解浸蝕，浸蝕溫度為常溫，時間20秒。
7.根據權利要求1～4任一項所述的離心鑄造合金爐管的檢測方法，其特徵在於：所述步驟一的步驟c）中，通過金相顯微鏡放大40倍觀察爐管材料的金相組織形態，並確定離心鑄造合金爐管材料的金相組織形態JX。
實施方式
操作內容
《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》首先對離心鑄造合金爐管材料的化學成分進行分析，確定對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素的含量。具體地說，採用直讀光譜儀分析離心鑄造合金爐管材料的常量元素的重量含量；採用光度計分析離心鑄造合金爐管材料的痕量元素的重量含量。
已知，經過研究的對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素包括S、Pb及Bi元素。
S元素含量對高溫持久壽命有顯著影響，隨著S元素的增加，離心鑄造合金爐管即爐管的高溫持久壽命降低。這是由於在熱處理過程中硫偏聚到晶界形成硫化物，由於硫化物和基體的結合力較差，空洞很容易形核，在高溫狀態下由於局部應力集中導致空洞連線從而產生微裂紋，導致爐管快速失效。通常建議的S元素含量需低於0.015wt％。
痕量元素Pb在高溫拉伸應力情況下，向晶界偏聚，降低了表面能，促進了蠕變空洞的萌生，最終導致高溫持久性能的降低。根據經典的蠕變空洞形核理論，晶界每單位面積上的形核率公式：
（4）
公式（4）中，γs為表面能，σ為微觀局部拉應力。γs和σ的很小改變都會導致形核率的較大變化。由於高溫持久試驗過程中，Pb元素向晶界偏聚，隨著晶界上偏聚的局部濃度升高，當達到足以降低晶界表面能γs時，會相應的降低形核應力，導致空洞形核率的增加，從而使得更易於萌生空洞。綜合考慮高溫持久壽命要求和經濟成本因素，通常合金爐管中的Pb元素的含量應該限制在20ppm以下。
痕量元素Bi對高溫持久壽命的影響與Pb相似，隨著Bi元素含量的增加，爐管的高溫持久壽命顯著降低。這是由於Bi元素向晶界偏聚，降低晶界表面能，增加空洞形核率。通常合金爐管中的Bi元素的含量應該限制在1.0ppm以下。
如上所述，對高溫持久壽命有顯著影響的化學元素對高溫持久壽命的成分影響因子f（α）＝aω（S）+bω（Pb）+cω（Bi），其中元素重量含量的單位為ppm，a的取值範圍為（0.18，0.22），b的取值範圍為（1.3，1.8），c的取值範圍為（28，32），f（α）單位為1。 通過體積分數為10％的草酸水溶液對爐管材料進行電解浸蝕（×40倍），對離心鑄造合金爐管材料進行金相製備，得到爐管材料的晶粒形狀。離心鑄造合金爐管材料的晶粒形狀有以下三種：交叉生長的柱狀晶、柱狀晶加等軸晶以及全等軸晶。圖1a、圖1b、圖1c分別為三種典型晶粒形狀的示意圖。根據晶粒形狀與高溫持久壽命的對應關係，呈一定角度交叉生長的柱狀晶有利於得到高的高溫持久壽命，這主要是因為當爐管中柱狀晶之間存在一定的角度，呈相互交錯的狀態時，主裂紋擴展遇到三叉晶界時，裂紋擴展路徑曲折，裂紋分枝會使得裂紋擴展的驅動力降低，從而降低裂紋擴展速率。
通過體積分數為10％的草酸水溶液對爐管材料進行電解浸蝕（×250倍），對離心鑄造合金爐管材料進行金相製備，得到離心鑄造合金爐管材料的室溫金相組織，並按照標準進行晶粒度的評定。圖2a、圖2b為不同晶粒度等級的爐管材料金相組織。上述離心鑄造合金爐管材料的晶粒度一般在5-5.5級材料呈現出較好的高溫持久壽命。
對高溫持久壽命有顯著影響的晶粒形狀和晶粒度等級所確定的金相影響因子f（β）＝5DJ+5JX，式中，DJ為晶粒度等級值，JX為晶形值。當晶粒形狀為交叉生長的柱狀晶時，晶形值取1；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例小於20％時，晶形值取8；當晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例大於20％時，晶形值取18。當晶粒度等級為5-5.5級時，晶粒度等級值取1，其它，則取10。
由上述所得的對高溫持久壽命有顯著影響的各因素所確定的影響函式f（α,β）
如下：
並以此對離心鑄造合金爐管材料進行檢測。
實施案例
以下結合實施例對《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》做進一步說明。
- 實施例1
一種離心鑄造合金爐管的對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素的含量見表1。
爐管編號 | wt% | ppm | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1# | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Nb | Pb | Bi |
0.433 | 1.94 | 0.86 | 0.021 | 0.012 | 24.5 | 36.08 | 0.94 | 24.855 | 0.297 | |
ω（S）＝120ppm，ω（Pb）＝24.855ppm，ω（Bi）＝0.297ppm，如圖3所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後晶粒形狀呈交叉柱狀晶，如圖4所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後評定其晶粒度等級為5.0級。
影響函式計算如下：
故該實施例中的離心鑄造合金爐管屬於合格範圍，所以該離心鑄造合金爐管的質量等級為A級，且無需進行高溫持久性能測試。
該實施例中的離心鑄造合金爐管經高溫持久性能試驗得到的高溫持久壽命大於120小時，滿足標準要求，試驗結果見表2。
試樣編號 | 材質牌號 | 試驗溫度（℃） | 應力（兆帕） | 斷裂時間（小時） | |
|---|---|---|---|---|---|
1# | 1-1 | 25Cr-35NiNb | 1100 | 17 | ＞130.73 |
1-2 | ＞131.69 | ||||
1-3 | ＞130.96 | ||||
- 實施例2
一種離心鑄造合金爐管的對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素的含量見表3。
爐管編號 | wt% | ppm | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2# | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Nb | Pb | Bi |
0.42 | 1.79 | 1.05 | 0.022 | 0.01 | 25.91 | 37.18 | 1.2 | 34.216 | 0.104 | |
ω（S）＝100ppm，ω（Pb）＝34.216ppm，ω（Bi）＝0.104ppm，如圖5所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例為10％，如圖6所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後評定其晶粒度等級為5.5級。
影響函式計算如下：
故該實施例中的離心鑄造合金爐管屬於不合格範圍，所以該離心鑄造合金爐管材料的質量等級為B級，且需進行高溫持久性能測試。
該實施例中的離心鑄造合金爐管經高溫持久性能試驗得到的高溫持久壽命小於120小時，不滿足標準要求，試驗結果見表4。
試樣編號 | 材質牌號 | 試驗溫度（℃） | 應力（兆帕） | 斷裂時間（小時） | |
|---|---|---|---|---|---|
2# | 2-1 | 25Cr-35NiNb | 1100 | 17 | 120.9 |
2-2 | 112.8 | ||||
2-3 | 98.99 | ||||
- 實施例3
一種離心鑄造合金爐管的對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素的含量見表5。
爐管編號 | wt% | ppm | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
3# | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Nb | Pb | Bi |
0.52 | 1.42 | 1 | 0.013 | 0.0081 | 34.9 | 46.59 | 0.82 | 26.31 | 0.19 | |
ω（S）＝81ppm，ω（Pb）＝26.31ppm，ω（Bi）＝0.19ppm，如圖7所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後晶粒形狀呈交叉柱狀晶，如圖8所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後評定其晶粒度等級為5.3級。
影響函式計算如下：
故該實施例中的離心鑄造合金爐管屬於合格範圍，所以該離心鑄造合金爐管材料的質量等級為A級，且無需進行高溫持久性能測試。
該實施例中的離心鑄造合金爐管經高溫持久性能試驗得到的高溫持久壽命大於120小時，滿足標準要求，試驗結果見表6。
試樣編號 | 材質牌號 | 試驗溫度（℃） | 應力（兆帕） | 斷裂時間（小時） | |
|---|---|---|---|---|---|
3# | 3-1 | 35Cr-45NiNb | 1100 | 16 | ＞120.61 |
3-2 | ＞135.72 | ||||
3-3 | ＞131.72 | ||||
- 實施例4
一種離心鑄造合金爐管的對高溫持久壽命有顯著影響的常量及痕量元素的含量見表7。
爐管編號 | wt% | ppm | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
4# | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Nb | Pb | Bi |
0.423 | 1.51 | 0.96 | 0.015 | 0.0078 | 35.04 | 45.73 | 0.94 | 6.95 | 0.005 | |
ω（S）＝78ppm，ω（Pb）＝6.95ppm，ω（Bi）＝0.005ppm，如圖9所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後晶粒形狀為柱狀晶加等軸晶且等軸晶比例為43％，如圖10所示經體積分數為10％的草酸水溶液電解浸蝕後評定其晶粒度等級為5.1級。
影響函式計算如下：
故該實施例中的離心鑄造合金爐管屬於不合格範圍，所以該離心鑄造合金爐管材料的質量等級為B級，且需進行高溫持久性能測試。
該實施例中的離心鑄造合金爐管經高溫持久性能試驗得到的高溫持久壽命小於120小時，不滿足標準要求，試驗結果見表8。
試樣編號 | 材質牌號 | 試驗溫度（℃） | 應力（兆帕） | 斷裂時間（小時） | |
|---|---|---|---|---|---|
4# | 4-1 | 35Cr-45NiNb | 1100 | 16 | 37.67 |
4-2 | 37.68 | ||||
4-3 | 10.21 | ||||
榮譽表彰
2019年5月16日，《一種離心鑄造合金爐管的檢測方法》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。
