齊曉冰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450080）

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現(xiàn)場金相檢驗在承壓類特種設(shè)備檢驗中的應(yīng)用

齊曉冰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450080）

摘 要：本文首先對承壓類特種設(shè)備失效的原因，然后從檢驗原材料、檢驗產(chǎn)品制造和安裝過程中使用的工藝質(zhì)量以及檢驗在用設(shè)備材質(zhì)裂化程度這3個方面，與現(xiàn)場案例相結(jié)合，對金相檢驗在承壓類特種設(shè)備檢驗過程中具體的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并且對金相檢驗的重要意義進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場金相檢驗；承壓類特種設(shè)備；材質(zhì)劣化

0. 前言

金屬材料的化學(xué)成分會隨著外部條件如溫度、時間和加工手段的改變而發(fā)生變化，形成不同的結(jié)晶狀態(tài)，如馬氏體、奧氏體、鐵素體、珠光體等，它們具有不同的機(jī)械性能。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定了其性能，而對微觀組織進(jìn)行檢測的方法中最有效的無疑是金相檢驗。金相檢驗是研究金屬材料結(jié)晶規(guī)律與機(jī)械性能的重要手段，從二維金相試樣磨面或薄膜的顯微組織測量和計算來確定合金組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。金相組織還可以有效地反映材料在使用過程中出現(xiàn)的變化，例如鍋爐構(gòu)件長期運(yùn)行環(huán)境是高溫狀態(tài)，自然會對其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)造成影響，使其出現(xiàn)由微觀到宏觀明顯的變化，而材料組織變化會影響鋼材的性能，從而引起金屬組織失效的種種變化。溫度、應(yīng)力以及運(yùn)行時間等因素都會對這種變化的速度和程度產(chǎn)生影響，而我們在對材料劣化程度進(jìn)行金相檢驗以后不僅可以作為有效的依據(jù)評定其安全狀況等級、合理地使用合金材料提供可靠的數(shù)據(jù)而且為采取有效方法控制材料劣化的發(fā)展提供依據(jù)。

1. 承壓類特種設(shè)備的失效形式

承壓類特種設(shè)備失效形式主要可以分為4種，分別是剛度失效、泄漏失效、失穩(wěn)失效以及強(qiáng)度失效，其中最常見的一種失效形式是強(qiáng)度失效，因為工作環(huán)境比較特殊，所以帶來的后果也會是災(zāi)難性的，例如爆炸和泄漏。鍋爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且需要在高溫、高壓的環(huán)境下工作，各種煙氣、火、介質(zhì)等都會對其進(jìn)行侵蝕，長此以往鍋爐的受壓部件很容易出現(xiàn)疲勞損壞、腐蝕和裂紋，或者是水循環(huán)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，受熱面因此開裂最終導(dǎo)致嚴(yán)重的爆炸事故等。變形、表面出現(xiàn)損傷以及材料性能老化等是承壓類特種設(shè)備最常見的失效形式，設(shè)計和制造方面的缺陷、不正確的安裝過程、運(yùn)行操作失誤以及外力造成的損傷是其失效的主要原因。對于壓力容器來說，最常見也是影響最大的損壞失效方式是出現(xiàn)裂紋并且不斷擴(kuò)展，最終形成斷裂破壞，例如氫損傷、疲勞斷裂等都是比較常見的。

疲勞斷裂、腐蝕斷裂、韌性斷裂、脆性斷裂以及蠕變斷裂是最常見的幾種強(qiáng)度失效，通過金相檢驗可以獲得比較直觀的判定依據(jù)。日本早于20世紀(jì)70年代的時候就對其國內(nèi)的壓力容器事故原因進(jìn)行了統(tǒng)計，材質(zhì)出現(xiàn)了點(diǎn)腐蝕或者應(yīng)力腐蝕是最常見的事故原因，而金相檢驗是最主要的檢測方法。在制造承壓類特種設(shè)備的時候，金相檢驗不僅能判定材料的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、熱處理工藝是否科學(xué)，還可以對材料的顯微組織狀態(tài)進(jìn)行檢查，確定與設(shè)計要求是否滿足。如果材料出現(xiàn)了開裂的情況，金相檢驗的結(jié)果是幫助分析開裂原因的有效手段。對承壓類特種設(shè)備進(jìn)行定期檢驗的時候，金相檢驗也能發(fā)揮良好的效果，在無損前提下判斷材料是否有劣化情況。當(dāng)有劣化發(fā)生的時候，可以現(xiàn)場對其焊縫位置以及材質(zhì)進(jìn)行金相復(fù)膜，結(jié)合其他手段得知材料失效的原因，并且將具體的失效程度顯示出來，檢驗人員就可以為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)地處理，從宏觀檢驗發(fā)展成為了微觀檢驗，對于檢驗水平的提高助益良多。

2. 現(xiàn)場金相檢驗的應(yīng)用

2.1 對進(jìn)場原材料進(jìn)行復(fù)驗

主要用來對材料進(jìn)行檢查，確認(rèn)其種類、組織成分、質(zhì)量以及熱處理情況等是否與設(shè)計要求相滿足?？梢酝ㄟ^檢驗宏觀金相的方式來對材料的冶煉質(zhì)量進(jìn)行確定，檢查材料中是否有裂紋、氣孔以及夾雜物的時候可以進(jìn)行酸蝕試驗，是比較便捷的。金相檢驗有時候也能用來對進(jìn)場材料的真實(shí)性進(jìn)行判定，例如某鍋爐廠新購買了一批熱氣管子，但是懷疑這些管子是有縫管，可以取一截管子作為樣品，研磨其橫截面并進(jìn)行制樣，然后準(zhǔn)備4%的硝酸酒精并將整個橫截面侵入進(jìn)去，觀察其侵蝕情況我們看到，焊縫部分和母材組織的宏觀特征明顯是不一樣的，如圖1所示。

將入場材料使用微觀金相來進(jìn)行檢驗，可以判斷其金相組織特征以及晶粒度，與質(zhì)量證書上所說的材質(zhì)種類以及熱處理狀態(tài)進(jìn)行對比，就可以確定材料的真?zhèn)瘟恕?/p>

2.2 檢驗產(chǎn)品制造以及安裝工藝的質(zhì)量

如果制造、安裝的設(shè)備是承壓類特種設(shè)備，那么首先需要質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門對其進(jìn)行監(jiān)督和檢驗，包括宏觀檢測、測量厚度、損傷檢驗等常規(guī)的檢查以及金相檢驗。金相檢驗一般來說都屬于評定焊接工藝的一個檢驗項目。檢測特種設(shè)備并確定其焊接質(zhì)量，是設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵性保證，金相檢驗是對焊縫以及熱影響組進(jìn)行檢驗，找出其微觀組織特征，如果焊縫中有異常情況例如有馬氏體組織存在，或者是熱影響區(qū)德國熱區(qū)中有超出標(biāo)準(zhǔn)的魏氏組織等，都可以通過金相檢驗判斷出來。

2.3 檢驗在用設(shè)備的材質(zhì)質(zhì)量

承壓類特種設(shè)備制造中涉及很多種類的鋼，例如合金鋼、不銹鋼、碳素鋼以及耐熱鋼等，許多設(shè)備所處的工作環(huán)境是持續(xù)高溫高壓，例如使用耐熱鋼制成的鍋爐，大部分容器用鋼所處的介質(zhì)具有很強(qiáng)的腐蝕性，時間長了材質(zhì)必然會出現(xiàn)一定程度的劣化情況。金相檢驗可以對這些環(huán)境下的鋼材進(jìn)行檢驗，例如對珠光體耐熱鋼的球化以及石墨化進(jìn)行檢查；判斷在高溫高壓環(huán)境下造成的脫碳、氫腐蝕裂紋是否嚴(yán)重；對腐蝕環(huán)境導(dǎo)致的晶間腐蝕或者應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行檢查，斷口金相檢驗可以對具體的類型進(jìn)行判定，對設(shè)備損壞的原因進(jìn)行科學(xué)分析，并且金相檢驗還可以將那些不易發(fā)現(xiàn)的顯微裂紋找出來，這是無損探傷做不到的，還能對材料偏析老化進(jìn)行檢查。

例如某電站的鍋爐，其集氣集箱出現(xiàn)了嚴(yán)重的球化現(xiàn)象，通過觀察其運(yùn)行記錄我們發(fā)現(xiàn)，造成這種情況的主要原因是長時間在超溫狀態(tài)下運(yùn)行。再例如某廠的爐管材質(zhì)為不銹鋼、化工管道材質(zhì)為碳鋼，這些材料劣化都是因為使用的時間過久，已經(jīng)超過了設(shè)計使用年限所以出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化情況。對這些設(shè)備進(jìn)行金相檢驗，結(jié)果均為不合格組織并且需要報廢，具有不可回復(fù)的缺陷，如果不予報廢的話將會帶來非常危險的后果，由此可見金相檢驗是非常重要的。

3. 現(xiàn)場金相檢驗的流程以及未來的發(fā)展

3.1 現(xiàn)場金相檢驗一般程度

首先將進(jìn)行金相檢測的位置選擇出來，然后使用磨光機(jī)進(jìn)行粗磨，接下來使用150#、300#以及600#的水砂紙依次進(jìn)行細(xì)磨，完成后使用金相砂紙進(jìn)行精磨并使用金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，下一步是從材質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)選擇相應(yīng)的侵蝕劑，然后將材料置于其中進(jìn)行腐蝕并使用顯微鏡進(jìn)行觀察，需要拍攝現(xiàn)場照片。

3.2 全新的金相檢驗技術(shù)

如今計算機(jī)技術(shù)正在快速發(fā)展中，人們研究出了計算機(jī)—金相顯微鏡系統(tǒng)，并在實(shí)際檢測工作中得以運(yùn)用。對于金相檢驗來說，在金相組織分析中結(jié)合計算機(jī)處理圖像以及識別技術(shù)，是其未來的發(fā)展趨勢，利用計算機(jī)來進(jìn)行圖像處理速度更快、精度更高，在工作效率方面實(shí)現(xiàn)了很大的提升。

人們在對材料組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)進(jìn)行研究的過程中，計算機(jī)定量金相分析技術(shù)發(fā)揮的作用是非常重要的。計算機(jī)來分析圖像，就可以將微觀組織中的各種參數(shù)例如平均尺寸、面積百分比以及長寬比等準(zhǔn)確的測算出來，以這些參數(shù)為基礎(chǔ)就可以將材料內(nèi)在的機(jī)械性能聯(lián)系找出來，從而更加科學(xué)地對材料進(jìn)行評價以及使用。

在定量金相中結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)來測量分析材料組織，也是一種創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)具有自己的特點(diǎn)，定量金相也有自己的要求，以這兩點(diǎn)為依據(jù)就可以找出一種準(zhǔn)確且便捷的方法，在理論檢驗中進(jìn)行定量分析。

結(jié)語

現(xiàn)場金相檢驗在用于承壓類特種設(shè)備檢驗的時候，主要檢驗內(nèi)容為檢驗原材料、檢驗制造過程以及安裝工藝質(zhì)量，以及檢驗在用設(shè)備材質(zhì)劣化程度這3個方面。對于檢驗員來說，平時要不斷學(xué)習(xí)金相檢驗相關(guān)知識，并且在檢驗特種設(shè)備的過程中將其正確合理地應(yīng)用進(jìn)去作為有效的補(bǔ)充手段，找出常規(guī)檢驗手段不能發(fā)現(xiàn)的問題，保證特種設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

［1］陳仙鳳.特種設(shè)備常用鋼材現(xiàn)場高效無損金相檢驗技術(shù)［J］.中國特種設(shè)備安全，2014（12）：29-31.

［2］李江.化工工藝運(yùn)用中的承壓類特種設(shè)備檢驗［J］.電子制作，2014（20）：21.

［3］倪進(jìn)飛，毛力，盧忠銘，尤晉.常規(guī)理化檢驗方法在承壓類特種設(shè)備檢驗中的應(yīng)用［J］.中國特種設(shè)備安全，2009（9）：25-28.

［4］李娟，劉麗梅，郭新鵬，尹作重，杜峻.特種設(shè)備制造物聯(lián)及全生命周期管理技術(shù)與應(yīng)用架構(gòu)研究［J］.制造業(yè)自動化，2015（16）：147-151.

［5］欒波.渦流檢測技術(shù)在承壓特種設(shè)備檢驗中的應(yīng)用探析［J］.科技傳播，2013（22）：183+188.

中圖分類號：TG315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A