周兵 李越勝 邵春文 吳士強(qiáng)

廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院順德分院，廣東順德 528300

金相檢驗(yàn)在承壓類設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用

周兵 李越勝 邵春文 吳士強(qiáng)

廣東省特種設(shè)備檢測(cè)院順德分院，廣東順德 528300

承壓類設(shè)備主要有四種失效形式，金相檢驗(yàn)是其有效檢驗(yàn)手段。本文闡述了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中金相檢驗(yàn)取樣的方法和難點(diǎn)，進(jìn)一步闡述了金相檢驗(yàn)的新技術(shù)。

承壓類設(shè)備；金相檢驗(yàn)；失效形式

Pressuree quipment；Metallogirnasppheic tion；Failure form

前言

承壓類特種設(shè)備由于服役在苛刻工作環(huán)境高溫、高壓、低溫、易燃、易爆、劇毒和腐蝕性介質(zhì)下，一旦發(fā)生事故會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染、給企業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來(lái)巨大的危害和損失，直接影響到社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的安定，而大部分承壓類設(shè)備事故是由材質(zhì)劣化引起的，因此有效檢測(cè)出服役期間設(shè)備材質(zhì)的安全狀況等級(jí)能極大地遏制事故的發(fā)生。金屬材料在其化學(xué)成分確定后，其性能主要取決于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)，而金相檢驗(yàn)是檢測(cè)微觀組織最直接有效的方法，金相組織中攜帶著大量有關(guān)冶金質(zhì)量、生產(chǎn)工藝的信息。材料服役期間產(chǎn)生的很多變化也可通過(guò)金相組織反映出來(lái)，如鍋爐構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫、高應(yīng)力條件下運(yùn)行，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的變化，隨著組織的變化，鋼材的性能也會(huì)發(fā)生改變[1]，導(dǎo)致失效的金屬組織變化也會(huì)逐漸出現(xiàn)，其變化速度及程度與原始材料的組織成分、使用的溫度、應(yīng)力以及使用時(shí)間等因素有關(guān)，通過(guò)檢驗(yàn)可以了解材料的劣化程度，從而為檢驗(yàn)工作安全狀況等級(jí)評(píng)定提供有效的依據(jù)[2]。

1、承壓類設(shè)備的失效形式及金相檢驗(yàn)的重要性

承壓類設(shè)備主要失效形式可分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效和泄漏失效等，而強(qiáng)度失效是其主要失效形式之一，考慮其服役的特殊性會(huì)發(fā)生爆炸和泄露兩種災(zāi)難性后果。鍋爐由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜及其高溫、高壓的工作環(huán)境，同時(shí)還受到火、煙氣、灰、汽、水垢的侵蝕，使鍋爐受壓部件易遭受腐蝕、沖刷磨損以及疲勞損壞和蠕變裂紋，同時(shí)因水循環(huán)系統(tǒng)的故障使受熱面鼓包、燒壞、開(kāi)裂等而發(fā)生爆炸和泄漏事故。壓力容器和壓力管道的主要失效形式有變形、斷裂、表面損傷和材料性能退化四大類，主要失效原因有設(shè)計(jì)、制造、安裝、管理、運(yùn)行操作、檢測(cè)維修和外來(lái)?yè)p傷等方面。壓力容器的損壞失效方式中遇到最多、影響最大的是裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂破壞，主要有疲勞斷裂、腐蝕破壞（應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、硫腐蝕等）、氫損傷等。壓力管道主要失效模式是以塑性極限載荷控制為主，而不是通常的斷裂力學(xué)控制，因壓力管道主要載荷為彎曲應(yīng)力與熱脹應(yīng)力，這與壓力容器承受內(nèi)壓力為主有很大區(qū)別。

強(qiáng)度失效主要包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂和腐蝕斷裂，該五種斷裂形式可通過(guò)金相檢驗(yàn)得到較直觀的判定依據(jù)。上世紀(jì)70年代日本專家學(xué)者曾統(tǒng)計(jì)過(guò)日本國(guó)內(nèi)10年來(lái)壓力容器事故的原因，約70%的事故是由于容器的材質(zhì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕引起的，主要檢測(cè)手段是通過(guò)金相檢驗(yàn)。在承壓類設(shè)備制造過(guò)程中，材料的質(zhì)量是否合格，材料熱處理工藝是否合理，材料的顯微組織狀態(tài)是否滿足要求等都可通過(guò)金相檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)判定。對(duì)于材料開(kāi)裂原因的分析，金相檢驗(yàn)?zāi)芴峁┳钪苯?、可感觀的證據(jù)。在用承壓類設(shè)備定期檢驗(yàn)中，判斷材料在使用中是否發(fā)生劣化，金相檢驗(yàn)也是一種常用的無(wú)損檢驗(yàn)方法，當(dāng)其材質(zhì)發(fā)生劣化時(shí)，對(duì)其材質(zhì)和焊縫區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相復(fù)膜或?qū)嶒?yàn)室金相組織分析，結(jié)合必要的力學(xué)性能試驗(yàn)、化學(xué)成分分析、超聲測(cè)厚等手段，可科學(xué)、準(zhǔn)確地分析材質(zhì)失效的原因，顯示損壞部位的失效程度，為檢驗(yàn)人員作出正確的處理意見(jiàn)提供科學(xué)、直觀的圖像照片依據(jù)，使檢驗(yàn)工作由宏觀檢驗(yàn)進(jìn)入微觀檢驗(yàn)，大大提高了檢驗(yàn)水平。在缺陷定量檢測(cè)基礎(chǔ)上，金相檢驗(yàn)對(duì)承壓類特種設(shè)備的剩余強(qiáng)度和剩余壽命的安全評(píng)價(jià)提供有力的決策依據(jù)。

2、金相檢驗(yàn)的常用方法及現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)樣品制備

金相復(fù)膜（非破壞性）和現(xiàn)場(chǎng)切取（破壞性）實(shí)驗(yàn)室制樣是承壓類設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中常用的金相檢驗(yàn)方法，在承壓類設(shè)備檢驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用。與金相復(fù)膜方法相比，現(xiàn)場(chǎng)切取實(shí)驗(yàn)室制樣更易獲得理想清晰照片，但需破壞設(shè)備結(jié)構(gòu)部件的完整性而受實(shí)際工藝條件的限制。金相復(fù)膜片常用有AC紙和有機(jī)玻璃片。現(xiàn)場(chǎng)金相試樣的制備一般要經(jīng)過(guò)磨平→磨光→研磨→拋光→浸蝕→復(fù)膜（金相復(fù)膜法）→觀察及攝影。關(guān)鍵步驟是取樣部位，浸蝕方法和評(píng)定方法。取樣的位置至關(guān)重要，是決定金相檢驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素，依據(jù)生產(chǎn)工藝和實(shí)際工況選擇易發(fā)生材質(zhì)劣化的部位作為取樣的部位，如果取樣的部位不具備典型性和代表性，其檢查結(jié)果將得不到正確的結(jié)論，即不能反映其真實(shí)性，反而會(huì)造成錯(cuò)誤的判斷。金相試樣選取的方向、部位及數(shù)量應(yīng)依據(jù)檢驗(yàn)方案、檢驗(yàn)?zāi)康?、技術(shù)條件和雙方協(xié)議的規(guī)定進(jìn)行。如電站鍋爐金相檢驗(yàn)的重點(diǎn)是主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及管件、過(guò)熱器及再熱器管子及出口集箱。檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)制樣相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室取樣而言，難度較大，需做好以下兩點(diǎn)：

①由于現(xiàn)場(chǎng)金相取樣有時(shí)在高空位置或狹窄空間中作業(yè)，應(yīng)配帶好安全保護(hù)帶，注意人身安全及設(shè)備安全。

②磨拋操作時(shí)，由于外界條件所限及環(huán)境的影響，在磨拋過(guò)程中要耐心仔細(xì)進(jìn)行，不可操之過(guò)急。

常用浸蝕方法有化學(xué)浸蝕法和電解浸蝕法，具體依據(jù)實(shí)際試樣特點(diǎn)要求選取。評(píng)定方法應(yīng)依據(jù)工件的實(shí)際工況及檢驗(yàn)的目的選取。

3、金相檢驗(yàn)的新技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)一金相顯微鏡系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)中，計(jì)算機(jī)圖像處理與識(shí)別技術(shù)在金相組織分析中的研究與應(yīng)用是金相檢驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于圖像處理，具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高工作效率。

計(jì)算機(jī)定量金相分析技術(shù)正逐漸成為人們研究材料組織轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)的有力工具。計(jì)算機(jī)圖像分析系統(tǒng)可以測(cè)算出微觀組織中特征物的面積百分?jǐn)?shù)、平均間距、平均尺寸、長(zhǎng)寬比等各種參數(shù)，依據(jù)這些參數(shù)建立材料機(jī)械性能的內(nèi)在聯(lián)系，為科學(xué)評(píng)價(jià)材料、合理使用材料提供強(qiáng)有力的依據(jù)。

數(shù)字圖像處理技術(shù)用于定量金相中材料組織的測(cè)量分析，依據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)和定量金相的要求，為理論檢驗(yàn)、測(cè)試提供準(zhǔn)確、快速的定量分析方法。

圖像分析儀因其科學(xué)性、高精度性以及可重復(fù)性而廣泛地應(yīng)用于金相定量分析中，圖像分析儀具有先進(jìn)的圖像測(cè)量技術(shù)和圖片處理功能。

彩色視頻金相顯微鏡是一種新型的金相檢驗(yàn)檢測(cè)儀器，因其方便、快捷、功能多樣靈活而具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

[1] 郭志強(qiáng), 胡越峰.金相檢驗(yàn)在鍋爐定期檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].河南科技，2011（19）

[2] 邱一農(nóng),關(guān)慶玉等.金相分析技術(shù)在運(yùn)行鍋爐檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].熱能動(dòng)力工程，1997（3）

Pressure equipment has four main failure forms, and metallograpehxic aminatioisn the effective means of inspectioInn. this paper,i t is expoundethd at the on-site inspectiomn etallograpehxic aminat ion methoda nd the difficulty, further elaboratetd he metallographic test new technologies

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.025