电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢金相浸蚀剂及浸蚀方法

李广龙，刘 爽，胡新芳

（1.山东里彦发电有限公司，山东 济宁 273517；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003）

电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢金相浸蚀剂及浸蚀方法

李广龙1，刘 爽2，胡新芳2

（1.山东里彦发电有限公司，山东 济宁 273517；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003）

现有的金相浸蚀剂对经过长期高温高压运行后的电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢受热面管的浸蚀效果不佳。研究一种专用的金相浸蚀剂及浸蚀方法，能够将经过长期高温高压运行后的18-8型铬镍奥氏体不锈钢受热面管的晶界、在奥氏体晶粒内部和晶界上出现的化合物M23C6和金属间化合物σ相等奥氏体晶粒析出相、严重过热老化后晶界上出现的蠕变孔洞等形貌特征显示清楚，浸蚀速度容易控制。该金相浸蚀剂具备一定化学抛光作用，配制方便、配方简单、使用安全。

奥氏体不锈钢；浸蚀剂；浸蚀方法

0 引言

奥氏体不锈钢以其较高的蠕变强度、良好的组织稳定性、优良的抗烟气腐蚀和蒸汽氧化性能，在制造电站锅炉受热面中得到了大量的应用，大部分奥氏体不锈钢均是在18-8型（18Cr-8Ni）奥氏体不锈钢的基础上发展起来［1］。目前，电站锅炉常用的18-8型奥氏体不锈钢主要有SA-213TP304H、SA-213TP347H、SA-213TP347HFG等。

电站锅炉受热面管都在高温高压的条件下运行，管子外表面的烟气温度超过1 000℃，管子内流动的水蒸汽温度在540℃以上，压力达16 MPa以上，运行条件极为恶劣。在长期高温高压服役过程中，奥氏体晶粒会在晶内和晶界上析出碳化物M23C6和金属间化合物 σ相［2-4］，降低其强度、韧性和耐腐蚀性能，严重威胁锅炉安全运行。因此，对18-8型铬镍奥氏体不锈钢受热面管子的金相检测是DL／T 438—2009《火力发电厂金属技术监督规程》和TSG G 7002—2015《锅炉定期检验规则》规定必须进行检测的项目。

1 常用奥氏体不锈钢浸蚀剂

奥氏体不锈钢的金相浸蚀剂常用的如王水、三氯化铁盐酸水溶液等。王水的腐蚀能力非常强，而经过长期高温高压运行的奥氏体不锈钢已经老化，耐腐蚀能力下降，浸蚀速度过快，很难控制浸蚀的进程，所以，对奥氏体晶粒的晶界浸蚀往往过重，不能真实的显示出晶界形貌和在晶粒内部和晶界上析出的碳化物M23C6和金属间化合物σ相，如图1所示。王水的腐蚀性和挥发性都很强，使用时对试验检测人员很不安全。三氯化铁盐酸水溶液的腐蚀能力与王水相比要弱，能够较好地显示出奥氏体晶界，但对奥氏体晶粒内部和晶界上析出的碳化物M23C6和金属间化合物σ相显示效果不好，而且在浸蚀过程中产生的污物容易粘附在金相试样表面，不易冲洗干净，影响了对金相组织的观察［5］，如图2所示。

中国发明专利CN101353794A公开了一种奥氏体不锈钢金相浸蚀剂及其配制方法和应用，该金相浸蚀剂是氢氟酸与硝酸的混合溶液，按体积比计量，各组分的比例分别为：氢氟酸∶硝酸∶水=2∶1∶7。该配方浸蚀能力较弱，浸蚀时间需要20～60 min，检测效率很低，并且氢氟酸的含量较高，对试验检测人员健康不利，因此，不适用锅炉受热面管用18-8型铬镍对奥氏体不锈钢的金相检测。

图1 王水浸蚀后奥氏体晶粒形貌

图2 三氯化铁盐酸水溶液浸蚀后奥氏体晶粒形貌

中国发明专利CN101760742A公开了一种奥氏体不锈钢变形层和基体组织显示的浸蚀剂制备及应用方法，该发明专利是在王水中加入水，降低其挥发性，增加其稳定性，也降低了其浸蚀性能，再增加硝酸量同时加入氢氟酸增强其浸蚀性能。为了增加浸蚀剂的活性，考虑到奥氏体不锈钢主要元素为铁，该发明选择了加入少量的三氯化铁作为活性剂。该发明对奥氏体变形层微观组织显示效果好，奥氏体晶界清晰，浸蚀速度易于控制，浸蚀剂重复使用性强，对检验人员和环境的危害都很小。

该发明专利的配方是针对常温下使用的或原始组织状态下的奥氏体不锈钢浸蚀剂，但对经过长期高温高压运行后的奥氏体不锈钢进行浸蚀，其浸蚀能力较强，对奥氏体晶界的浸蚀速度过快，使得奥氏体晶粒内部和晶界上析出的碳化物M23C6和金属间化合物σ相显示效果不好，无法准确显示组织状态，并且浸蚀速度过快会使得试验检测人员在浸蚀过程中不容易掌握浸蚀的进程，因此，两种发明不适用于锅炉受热面管用18-8型铬镍奥氏体不锈钢的金相浸蚀。

另外，奥氏体不锈钢的硬度低，属于较难抛光的钢铁材料，在实验室金相检测时，抛光过程主要采用机械抛光，往往有些细微的划痕不能抛掉，而这些细微的划痕在金相显微镜下与奥氏体不锈钢的晶界形貌基本类似，就会对奥氏体不锈钢金相组织的观察结果产生影响。所以，如果浸蚀剂具备一定的化学抛光能力，就能在浸蚀过程中将这些细微的划痕抛掉，提高金相制备的质量和工作效率。

为了解决以上技术问题，需要研制一种能够将经过长期高温高压运行后的18-8型铬镍奥氏体不锈钢受热面管的晶界、在奥氏体晶粒内部和晶界上出现的化物M23C6和金属间化合物σ相等析出相、严重过热老化后晶界上出现的蠕变孔洞及因腐蚀产生的沿晶裂纹等形貌特征显示清楚，浸蚀速度容易控制，具备一定化学抛光作用，配制方便，配方简单，使用安全的金相浸蚀剂。

2 电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢金相浸蚀剂及浸蚀方法

2.1 金相浸蚀剂的配方

电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢金相浸蚀剂的配方以王水的配比为基础，在经过大量实验室试验的基础上，通过降低盐酸、硝酸的浓度，调整盐酸、硝酸的配比，并加入少量氢氟酸，调节浸蚀速度，并保证浸蚀剂有一定的化学抛光能力。分析纯乙醇作为溶剂能够有效控制扩散和流动速度，对金相试样表面浸蚀均匀，浸蚀速度容易掌握，同时，也稀释了分析纯盐酸、分析纯氢氟酸、分析纯硝酸的浓度，降低了浸蚀性能，使用更加安全。又通过加入十二烷基磺酸钠作为表面活性剂，提高了浸蚀剂的活性，防止浸蚀过程中形成的污物粘附在检测表面，保证晶界上析出碳化物M23C6和金属间化合物σ相等析出相能够显示清楚。

该奥氏体不锈钢金相浸蚀剂由分析纯盐酸、分析纯硝酸、分析纯氢氟酸、分析纯十二烷基磺酸钠和分析纯无水乙醇组成，各组分的体积分数或质量浓度分别为：分析纯盐酸350 mL／L，分析纯硝酸100 mL／L，分析纯氢氟酸50 mL／L，分析纯十二烷基磺酸钠5 g／L，分析纯无水乙醇余量。

2.2 金相浸蚀剂的配制方法

根据浸蚀剂主要成分的特性，配制方法及具体步骤如下（以配制100 ml浸蚀剂为例）。

1）用量筒量取50 mL分析纯无水乙醇，倒入塑料试剂瓶内；

2）用量筒量取35 mL分析纯盐酸，加入塑料试剂瓶内，加入时要用玻璃棒引流，缓缓加入，加入后用玻璃棒搅拌均匀；

3）用量筒量取10 mL分析纯硝酸，加入塑料试剂瓶内，加入过程要用玻璃棒引流，缓缓加入，加入一半时用玻璃棒搅拌均匀，再加剩下的部分；

4）用天平称取分析纯十二烷基磺酸钠0.5 g，加入塑料试剂瓶内，加入后用玻璃搅拌均匀；

5）用塑料量筒量取分析纯氢氟酸5 mL，缓缓加入塑料试剂瓶内，用塑料棒搅拌均匀；

6）静置12h后即可使用。

2.3 金相浸蚀剂的浸蚀方法

根据浸蚀剂的浸蚀能力及18-8型铬镍电站锅炉奥氏体不锈钢的老化程度，其浸蚀方法及具体步骤为：

1）将奥氏体不锈钢取样管进行金相制样，制样过程主要包括粗磨、细磨、机械抛光、清洗、吹干；

2）将取样管的金相磨面全部浸入浸蚀剂中，浸入深度控制在3～5 mm，浸入后可以轻轻晃动，去除试样表面吸附的气泡，浸蚀时间控制在20～30 s；

3）用无水酒精将浸蚀表面冲洗干净；

4）冲洗干净后，立即将浸蚀表面倒扣在一张定性滤纸上，用手摁在取样管的另一端，让滤纸将浸蚀表面残余的酒精吸走，同时，用吹风机在侧面用冷风对浸蚀表面与滤纸结合处进行吹扫，吹扫的时候，吹风机要选择小风量档位，吹风口距离浸蚀表面与滤纸结合处要大于100 mm，能够有效促进浸蚀面上残余的酒精快速挥发或被滤纸吸收，有效消除检测面上的酒精迹，得到良好的金相观察面。

3 实际应用效果

对经过长期高温高压运行后及出现蠕变孔洞的18-8型铬镍电站锅炉奥氏体不锈钢受热面管进行取样，分别采用该浸蚀剂和浸蚀方法对取样管浸蚀后进行金相组织分析，如图3～8所示。

图3 运行11.8万h后的金相组织形貌

图4 长时过热后蠕变孔洞及金相组织形貌

图5 短时过热爆口附近金相组织形貌

图6 短时过热爆口边缘金相组织形貌

图7 运行13.2万h后金相组织形貌

图8 运行13.2万h后金相组织形貌（放大）

图3为SA-213TP347H材质的某1 028 t／h亚临界电站锅炉受热面管，运行11.8万h后的金相组织形貌；图4为SA-213TP304H材质的某2 102 t／h超临界电站锅炉受热面管高温过热器管，发生长时过热出现严重老化，奥氏体晶界上出现蠕变孔洞的金相组织形貌；图5～6为SA-213TP347H材质的某3 000 t／h超超临界电站锅炉受热面管，运行2.6万h发生短时过热爆管后，爆口边缘及爆口附近出现蠕变孔洞的金相组织形貌；图7～8为SA-213TP347H材质的某2 020 t／h亚临界电站锅炉受热面管，运行13.2万h后的金相组织形貌。

从图3～8可以看出，在经过长期高温高压运行后及出现蠕变孔洞的18-8型铬镍电站锅炉奥氏体不锈钢受热面管，经过该浸蚀剂的浸蚀，金相组织形貌显示清晰，奥氏体晶界、在晶粒内部和晶界上的碳化物M23C6和金属间化合物σ相等析出相、蠕变孔洞等形貌细节显示清楚，具有良好的浸蚀效果。整个金相观察面基本没有细微划痕，说明浸蚀剂具有一定的化学抛光作用，能够把浸蚀面上的细小划痕等抛掉。分析纯乙醇和分析纯十二烷基磺酸钠能够提高浸蚀剂的活性，使容易粘附在金相试样表面的污物能够快速溶解，提高金相制作质量，便于对组织的观察分析，保证金相试样制作质量。

4 结语

研制一种电站锅炉用18-8型铬镍奥氏体不锈钢金相浸蚀剂和浸蚀方法该浸蚀剂及浸蚀方法，能够将奥氏体组织的晶界、在奥氏体晶粒内和晶界上出现的碳化物M23C6和金属间化合物σ相等析出相、严重过热老化后晶界上出现的蠕变孔洞等形貌特征显示清楚；浸蚀剂和浸蚀方法能够有效控制浸蚀速度，使实验人员容易掌握；具备一定化学抛光作用，能够把浸蚀面上细小的划痕、不平整表面等抛掉；分析纯乙醇和分析纯十二烷基磺酸钠能够提高了浸蚀剂的活性，使容易粘附在金相试样表面的污物能够快速溶解，提高金相制作质量，便于对组织的观察分析，保证金相试样制作质量；该浸蚀剂与王水相比，盐酸、硝酸的浓度低，使用安全，可以在常温下使用和保存，便于实验室和现场对受热面管金相检测时使用。另外，浸蚀剂的主要成分为常用化学试剂，容易获得，配制使用简单方便。

［1］马红，贺锡鹏，郑坊平，等.18-8型奥氏体不锈钢锅炉管服役特性研究（一）［J］.热力发电，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，李正刚.TP304H奥氏体不锈钢锅炉管长期高温运行后的组织变化分析和研究［J］.广东电力，2010，23（5）：16-19.

［4］赵永宁，岳增武.TP304H奥氏体耐热钢锅炉管的组织性能研究［J］.热力发电，2009，38（3）：56-60.

［5］董加坤.制作奥氏体不锈钢金相试样的高效侵蚀剂配方及使用方法［J］.金属热处理，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

李广龙（1974），男，工程师，从事电厂金属技术监督和锅炉压力容器检验工作；

刘 爽（1982），男，高级工程师，从事火力发电厂机组金属监督检验、电站和电网重要金属部件的失效分析等方面的研究工作。