一种20号钢珠光体球化等级的现场快速分析方法

技术领域

本发明涉及一种珠光体球化等级的分析方法，特别涉及一种20号钢的珠光体球化等 级现场快速分析方法。

背景技术

20号钢是一种优质碳素钢，作为电站锅炉重要部件的主要用材用于壁温不超过450℃ 的锅炉受热面管蒸汽管道和集箱。在高温高压条件下长期使用过程中其组织中的珠光体会 发生球化，即珠光体中的渗碳体(碳化物)形态由最初的层片状逐渐转变成球状，导致力学 性能也随之下降。因此长期以来20号钢组织中的珠光体球化程度常被广泛地用作其使用可 靠性的评定判据之一。根据中华人民共和国电力行业标准--《DL/T674-1999，火电厂用20 号钢珠光体球化评级标准》，20号钢从原始状态至完全球化共分为5级，分别为1级（未球 化，原始态）、2级（倾向性球化）、3级（轻度球化）、4级（中度球化）和5级（完全球化）。

传统的珠光体球化分析试样制备分为实物取样金相试样和现场复膜金相试样。前者需 要在管道上进行割管制备试样，并经砂轮平整后以180、320、400、500和600号水砂纸依 次粗磨然后再以01、02和03号金相砂纸精磨或用金相精磨机磨制。再用3%～5%硝酸酒精溶 液进行5-10s的初浸蚀，接着采用机械抛光法去除研磨划痕及畸变层，最后采用3%-5%硝酸 酒精溶液浸蚀10s左右并清洗吹干后进行组织显示。而复膜金相则直接采用机械方法完全 去除被测受热面管道的表面氧化层及脱碳层，然后用打磨工具进行磨制，并采用和实物取 样同样的研磨顺序，接着根据实际情况及现场条件选择机械抛光化学抛光或电解抛光对管 道表面进行抛光和浸蚀。最后采用厚度为80μm-100μm醋酸纤维素(AC纸)或其它类似材 料作为复膜片，将复膜片与金相磨面间充以丙酮类有机溶剂，并对复膜片稍加压力使复膜 片与金属表面之间无气泡无间隙贴合紧密而获得复膜样品，干燥后自检查面上小心取下复 膜样品固定在玻璃板或硬纸板上即可观察。第一种方法需要对被测的受热面管道进行破坏 性割管，工序复杂，耗时长。第二种方法虽然无需进行破坏性割管，但检测工序也比较复 杂，而且两种方法对操作者的专业知识和经验要求都较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种20号钢珠光体球化等级的现场快速分析方 法，该方法利用便携式的激光光谱快速分析系统，利用脉冲激光直接作用于管道表面，采 集表征受热面管道基体的等离子体光谱数据，根据所建立的珠光体球化等级样品光谱数据 库，由主成分分析方法进行类别区分，获得被测受热面管道的珠光体球化等级。本发明既 无需要对被测的受热面管道进行破坏性割管，且工序简单快捷，而且对操作者的专业知识 和经验要求都不高。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种20号钢珠光体球化等级的现场快速分析方法，其特征是包括如下步骤：

第一步：首先选取标准的1-5级珠光体球化的20号钢样品，利用激光光谱分析系统分 别获取不同珠光体球化样品的等离子体光谱；每个球化等级的样品获取n组光谱数据，每 组光谱数据包含m个像素点强度，即1-5级球化样品共获取5n组光谱数据，表示为5n×m 维的光谱数据矩阵，即：

$X=\left(\begin{array}{cccc}{x}_{11}& x_{12}& ...& x_{1m}\\ x_{21}& x_{22}& ...& x_{2m}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ x_{5n1}& x_{5n2}& ...& x_{5\mathrm{nm}}\end{array}\right)=[x_1{x}_2...x_m]---\left(1\right)$

其中，x_i=[x_1i,x_2i,...,x_5ni]^t为第i个像素点强度变量；

第二步：利用第一步中获得的1-5级珠光体球化样品的等离子体光谱数据，由主成分分 析法建立不同球化等级归类的光谱数据库。由主成分分析法，通过线性变换得到能充分反 映原始信息且相互独立的新变量，以保留X中的主要信息。

设[u_i1u_i2...u_in]为线性组合的系数向量，由此可以得到由y_i组成的新向量：

$y_i=u_{i1}{x}_1+u_{i2}{x}_2+...+u_{\mathrm{im}}{x}_m=[x_1{x}_2...x_m]\left(\begin{array}{c}{u}_{i1}\\ u_{i2}\\ .\\ .\\ .\\ u_{i5n}\end{array}\right)={\mathrm{Xu}}_i---\left(2\right)$

式中y_i为第i个主成分，u_i为计算第i个主成分所需的系数向量。

因此，所有主成分组成的矩阵可以表示为：

Y=XU           （3）

式中X为步骤一种获得的原始光谱数据矩阵，U为各主成分对应的系数矩阵，Y为 主成分矩阵。

根据主成分的定义可知，第一主成分所表达的原始光谱数据信息量最大，第二主成分次 之，一般前两个主成分的累积贡献率可达到85%。因此，保留第一和第二主成分，建立1-5 级珠光体球化归类的光谱数据库；

第三步：对于被检测的锅炉受热面管道，利用便携式的激光光谱快速分析系统中的脉冲 激光连续击打管道表面，同时通过探测到的等离子体光谱中20号钢和氧化层组成元素的特 征谱线变化，判断激光是否穿过了表面氧化层和脱碳层，而作用到了管道基体。

第四步：步骤三中激光连续击打直至作用到了管道基体，即开始获取表征被测受热面管 道基体的等离子体光谱数据，并将其代入式（1）-（3）进行主成分分析，得到其第一和第 二主成分，并和步骤一中建立的光谱数据库中1-5级珠光体球化的类别进行对比，从而判 断被测受热面管道的珠光体球化等级。

本发明具有如下优点：

本发明通过激光光谱分析与主成分分析方法的结合，在现场快速获得被测20号钢受热 面管道的珠光体球化等级，主要的优点体现在：1）对受热面管道近似无损；2）操作工序 简单，可实现现场快速检测；3）全自动数据处理，分析效率高；4）对操作人员的专业知 识和经验要求低。

附图说明

图1是本发明的珠光体球化等级快速分析流程图；

图2是本发明的260～290nm光谱数据示例图

图3是本发明的400～440nm光谱数据示例图；

图4是本发明的1-5级珠光体球化的光谱归类数据库示意图；

图5是本发明的Ca谱线随脉冲激光激发次数的变化趋势；

图6是本发明的Fe谱线随脉冲激光激发次数的变化趋势。

具体实施方式

结合图1所示的流程图可知，本发明提出的一种20号钢珠光体球化等级的现场快速分 析方法，包括了如下步骤：

1）首先选取标准的1-5级珠光体球化的20号钢样品，利用激光光谱分析系统分别获 取不同珠光体球化样品的等离子体光谱。每个球化等级的样品获取10组如图2和图3所示 的光谱数据，每组光谱数据包含2034个像素点强度，即1-5级球化样品共获取50×2034 维的光谱数据矩阵。

2）再对50×2034维的光谱数据矩阵进行主成分分析，可以由第一和第二主成分建立 图4所示的1-5级珠光体球化的光谱归类数据库。

3）在现场利用便携式激光光谱快速分析仪中的脉冲激光连续击打管道表面，同时通过 探测到的等离子体光谱中的Fe和Ca特征谱线，根据图5和图6所示的特征谱线光谱强度 的变化趋势，当Ca谱线强度趋于0，而Fe谱线强度趋于稳定时，即可判断激光已经穿过了 表面氧化层和脱碳层，而作用到了管道基体，开始采集表征被测受热面管道基体的等离子 体光谱数据。

4）步骤3）中在被测受热面管道表面的5个不同部位分别采集1组等离子体光谱数据， 将这5组光谱数据进行主成分分析后代入步骤2）中建立的光谱归类数据库，根据被测受热 面管道光谱数据的归类分布（如图4所示），可以判断被测受热面管道为5级珠光体球化。