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激光诱导击穿光谱应用于电站锅炉受热面组织结构和性能诊断的研究

李军  
【摘要】:在火力发电行业,承受高温高压的金属材料的安全问题至关重要。据统计,由于金属材料失效引起受热面爆管等事故占火电厂各类非计划停运事故的50%以上。一旦计划外停运和发生故障,将会造成巨大经济损失和人员伤害,对社会产生不利的影响。受热面材料在长期的高温高压服役过程中,其微观组织结构会发生一系列的变化,最终导致裂纹的产生和力学性能的下降,进一步导致发生爆管等事故的几率大大增加。受热面材料的这种组织结构变化和机械性能退化称为老化。由于缺乏快速有效的监测技术,现役电厂往往通过未到期更换受热面材料等措施来降低受热面爆管事故的发生率,从而确保机组运行安全性。而已有的受热面失效检测技术存在各自的局限性,对检测环境和被检测部件的要求高,无法在受热面材料还在服役状态时对其失效趋势进行预测分析。激光诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)是近年来发展起来的一种原子发射光谱分析技术。它能够分析物质的成分和含量,具有对分析物损伤小、多元素同步检测、快速、可实现远距离检测等优点,同时激光诱导击穿光谱技术也受基体效应的影响。对于传统的定量分析而言,基体效应的存在是不利因素,然而恰恰可以利用基体效应来反映被检测对象的组织结构特性。本文正是利用基体效应的存在尝试将LIBS技术引入到电厂锅炉受热面的检测中。利用LIBS对电厂受热面材料进行检测,通过等离子体特性来反映受热面材料的组织结构与特性,为发展锅炉受热面高温失效趋势预测分析技术提供理论依据。论文在调研了受热面失效分析的技术水平和研究现状的基础上,阐述了本论文的研究背景与意义。并介绍了常用的受热面失效分析无损检测方法,阐述了LIBS的发展历程以及LIBS在金属材料领域的相关研究以及对基体效应的研究,提出了本文的研究内容。基于LIBS的原理以及等离子体的物理特性,搭建了一套可以适用于不同管径受热面管材检测的LIBS实验装置。为了深刻理解本文主要的研究对象12Cr1MoV和T91钢,对其的特性和失效机理进行了详细的分析。利用单色仪并配合示波器对对不同金相组织的12Cr1MoV的等离子体特性进行了分析。根据12Cr1MoV钢的含量选取一些特征谱线来对比分析,主要对比了同一元素的离子线和原子线以及不同金相组织样品间的等离子体时间演化特性。并分析了等离子体强度与金相组织之间的关系。同时还研究了金相组织同为回火索氏体但碳化物颗粒大小不同的T91的等离子体时间演化特性。分析了不同抗拉强度T91的等离子体特性,引入PCA分析方法对其进行区分,并建立了谱线强度、离子线和原子线的谱线强度比与抗拉强度之间的线性关联性。最后利用LIBS技术对不同老化等级的T91进行研究。分析其等离子体特性(等离子体温度、电子密度、等离子谱线强度)与老化等级之间的关系。建立了离子线与原子线的谱线强度比与老化等级之间的关联性,同时也建立了合金元素与基体元素的谱线强度比和老化等级以及硬度之间的关联性。所得到的Cr/Fe和Mo/Fe的谱线强度比与老化等级和硬度呈现良好的线性关联性,为发展受热面失效趋势预测分析的新方法以及LIBS技术在新领域和新方向的发展奠定了理论基础和实践依据。


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