常用耐熱合金材料的光譜分析

　　摘要：光譜分析技術建立在識別元素特征譜線的基礎之上。種類繁多的合金材料被廣泛應用于國民生產各部門，耐高溫、高壓合金材料作為其中的一類，其常見合金元素一般為Cr、Mo、V、Ni、W、Ti、Mn、Nb等。文章旨在歸納常見合金元素的光譜分析方法，并介紹了部分應用實例。
　　關鍵詞：特征光譜；譜線強度；看譜定性分析；看譜半定量分析
　　
　　一、前言
　　
　　種類繁多的合金材料被廣泛應用于國民生產各個部門。因機組高溫高壓的運行特點，具備耐高溫、高壓和耐腐蝕特性的合金材料在發電行業得到了廣泛應用。不同的合金材料，有不同的使用參數。我國電力行業標準《電力工業鍋爐監察規程》、《電力建設施工及驗收技術規范》以及《火力發電廠金屬技術監督規程》等都要求對合金材料部件進行看譜分析，以免錯用鋼材造成事故。長期以來，發電行業機組運行參數等級不斷提高，針對耐高溫、高壓合金材料的看譜分析技術也日益完善。
　　
　　二、原理
　　
　　物質是由元素的原子組成。不同元素的原子，其結構不同，原子核的大小和周圍的電子數也不同。正常狀態下，原子核外各電子處于基態，分布在不連續的能級軌道之上。當原子受到外界能量激發時，核外電子吸收能量，從基態躍遷到激發態。當電子再返回基態時，兩個能級軌道之間的能量差值便以發射特征光譜的形式釋放出來。所以在一定條件下，各種元素具有各自的特征譜線。故可根據某元素的特征譜線是否存在對其進行定性分析，通過測量該元素的特征譜線強度進行定量分析。根據賽伯-羅馬金公式：
　　I=aCb
　　a——與試樣蒸發，激發過程等有關的條件參數。
　　b——自吸系數，其值與譜線的自吸收有關。
　　I——元素特征譜線強度。
　　C——元素濃度。
　　從理論分析可知，在特定的分析條件下，譜線強度I與該元素在試樣中的濃度成正比。鑒于a、b隨試驗條件的改變而變化，實踐中往往采用內標法，將元素特征譜線強度與基體元素譜線強度進行比較，從而對比得到該元素含量。據此原理，采用看譜分析的方法，便可以對材料中的各種元素成份進行分析測定。
　　
　　三、常用耐熱合金
　　
　　因運行溫度不同，所使用的耐熱合金材料等級各異。總的來說，目前常用的耐熱合金材料包含如下鋼號：12Cr1MoV、12CrMoV、10CrMo910、42CrMo、35CrMo、25Cr2Mo1V、25Cr2MoV、20Cr1Mo1V1A、20Cr1Mo1VTiB、20Cr1Mo1VNbTiB、16Mn、1Cr13、2Cr13、G102、T91、T92、T23、T24、X20CrMoV121、X20CrMoWV121、12Cr1Mo1WVNb、1Cr18-Ni9Ti、0Cr18Ni9、0Cr19Ni9、TP304、TP347、Super304H、HR3C等。材料品種雖多，但所需分析的合金元素一般只包含在以下幾種之中：Cr、Mo、V、Ni、W、Ti、Mn、Nb等。所以，只要掌握了以上幾種合金元素的分析方法，就可以較好的驗證分析常用的合金材料。
　　
　　四、分析方法
　　
　　根據相關規程要求，結合金屬檢驗實踐。一般來說，只需對Cr、Mo、V合金元素進行半定量分析，Ni、W、Ti、Mn、Nb等合金元素進行定性分析，即能準確驗證材料鋼號。因此，首先必須能準確識別各合金元素所對應的特征譜線，熟悉這些譜線在光譜帶中的位置。其次還需對待驗鋼材中各種合金元素的應有含量有一定了解，這樣才能快速、準確地進行定性和半定量分析。現把主要元素的分析方法簡述如下：
　　（一）鉻
　　鉻元素主要根據四組譜線進行分析測定，可測鉻含量的范圍為0.05%%到30%。常用耐熱合金材料鉻含量在0.7-4%和12%-20%之間。所以重點掌握黃綠色區Cr5（534.58nm）、Cr6（534.83nm）、Cr7（540.98nm）和青綠色區Cr1（492.23nm）譜線。當鉻含量在0.7%-4%時，一般用鉻二組（Cr5、Cr6）與鉻三組（Cr7）配合測定，如圖1。當鉻含量在12%-20%時，一般用鉻四組（Cr1）進行半定量分析，該譜線一般只在鉻含量超過8%時作為半定量依據，如圖5。
　　（二）鉬
　　鉬有二組譜線，可測鉬含量的范圍為0.05%到8%。常用耐熱合金材料鉬含量在0.25%-1%之間，所以重點掌握黃色區Mo3（553.30nm）和Mo4（557.05nm），如圖2。但某些低合金材料如35CrMo、42CrMo等，其鉬含量低于0.25%，此時一般用橙紅色區Mo5（603.07nm）線作定性依據，該譜線是鉬元素的靈敏線，如圖4。
　　（三）釩
　　釩有三組譜線，可測釩的含量為0.15%到2.5%。常用耐熱合金材料釩含量在0.15%-1%之間，所以要掌握紫色區V1（437.92nm）、V2（438.47nm）、V3（439.00nm）、V4（439.52nm）、V5（440.06nm）、V6（440.67nm）、V7（440.76nm）和藍綠色區V8（487.55nm），見圖3和圖5。實踐中，當釩含量較低時，可以橙紅色區V11（603.97nm）作為分析依據，該譜線是釩的靈敏線，見圖4。
　　（四）錳
　　錳有二組譜線，可測錳的含量為0.15%-12%，需重點掌握橙紅色區Mn9（601.35nm）、Mn10（601.66nm）和Mn11（602.18nm）譜線，見圖4。
　　（五）鎢
　　鎢有二組譜線，可測鎢的含量為1-25%，重點掌握綠色區W2（505.33nm）和W3（505.46nm）譜線，見圖6。
　　（六）鈦
　　鈦有三組譜線，可測鈦含量的范圍為0.1%-3.5%，重點掌握綠色區Ti2（498.17nm）和Ti3（499.95nm）譜線，見圖5。
　　（七）鎳
　　鎳有三組譜線，可測鎳含量的范圍為1%-15%。常用耐熱合金材料鎳的含量在9%-15%之間。所以要重點掌握綠色區Ni3（503.54nm）。實踐中，不銹鋼材料中因為鉻元素含量較高，其存在往往降低鎳的靈敏性，加之鎳的譜線有閃躍現象。所以往往配合Ni4（508.05nm）、Ni5（508.11nm）進行分析測定，該組譜線較之Ni3更為靈敏，見圖6。
　　（八）鈮
　　鈮有三組譜線，可測鈮含量的范圍一般為0.06%-2.0%。常用合金材料鈮的含量一般低于0.5%，所以要重點掌握綠色區Nb2（506.53nm），如圖6。
　　
　　五、應用
　　
　　廣州發電廠近年來相繼對五臺鍋爐高溫過熱器管進行了改造，新換高溫過熱器管材質為T91（10Cr9Mo1VNb），安裝前必須進行材質復核。首先必須了解，T91材質成分如下：Cr含量為8.00%-9.50%，Mo含量為0.85%-1.05%，V含量為0.18%-0.25%，Nb含量為0.06%-0.10%。因此可先在黃綠色區找到Cr5、Cr6兩根譜線，Cr5譜線亮度大于Fe75，小于Fe74，Cr6譜線亮度略小于Fe70，即可確定鉻的含量達到7%-10%；然后在黃色區找到Mo4譜線，亮度與Fe87相當，即鉬的含量達到1%左右；再在紫色區找到V1譜線，亮度稍大于Fe1，而V2譜線亮度稍小于Fe1，即可知釩的含量為0.15%-0.3%；最后在綠色區找到Nb2譜線即可確認含鈮；從而驗證材質符合。
　　
　　廣州發電廠緊固件螺栓以25Cr2Mo1V材質居多，歷次大修均有部分螺栓需要更換，該材質的光譜復核過程中，要注意與25Cr2MoV相區分。首先在黃綠色區找到Cr5、Cr6兩根譜線，Cr5譜線亮度與Fe73譜線亮度相當，可知鉻含量約2%；然后在黃色區找到Mo4譜線，若其亮度與Fe87相當，可知鉬含量達約1%；反之，若Mo4亮度遠小于Fe87，Mo3亮度與Fe83相當，則其鉬含量為0.3%左右，這是25 Cr2MoV與25Cr2Mo1V的顯著分別；再在紫色區找到V2譜線，亮度與Fe1相當，即釩的含量約0.3%；從而可驗證螺栓材質為25 Cr2Mo1V。
　　近年來，廣州發電廠在機組改造中，逐漸較多使用如1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9、TP304、TP347等不銹鋼材料。總的說來，不銹鋼材質合金元素濃度高，特征譜線強度大，分析驗證較為容易。現以TP347為例，首先查閱相關資料，得知其材料成分如下：Cr含量為18.0%，Ni含量為10.0%，Nb含量為0.8%。因此，可首先找到青綠色區Cr1線，其亮度大于Fe31，黃綠色區Cr6線亮度小于Fe74，據此可判定其Cr含量為15%-20%；然后再綠色區找到Ni3線，亮度稍大于Fe44，可知其含量約大于9%；然后在綠色區找到Nb2譜線；即可驗證材質符合。
　　在對合金材料分析驗證的工作中，也發現過不少錯用材質的情況。廣州發電廠員電#3機組工程中，在對汽缸進行到貨檢查時，發現一段抽汽管口和兩個至低加抽汽管口所用材質為碳鋼，而碳鋼絕不能滿足該溫度參數的運行要求。經研究后，將其割斷并更換12 Cr1MoV材質的管口。
　　實踐證明，只要熟練掌握特征譜線位置，選用適當的基體譜線作為比較線，即可準確驗證材質合金成份及濃度。實際工作中，也經常采用已知同種材質的試樣作為標樣，來比照驗證材質鋼號。無論何種方法，對合金元素的分析都是先定性再定量的分析過程。
　　
　　六、結論
　　
　　大量實踐證明，看譜分析是一種便捷、有效的分析方法，在針對耐熱合金材料的材質分析工作中得到了廣泛應用。但看譜分析方法對人的依賴性較大，一定程度上，其準確度和有效性受到了檢測人員的理論分析能力和實
　　踐經驗的影響。因此實際工作中，對于重要設備、材料的驗收應進行必要的復核。
　　
　　參考文獻：
　　1、王長慶等.看譜分析彩色光譜圖冊[M].山西人民