曹丹，皮艷慧

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450016）

承壓類特種設(shè)備會受到溫度、壓力等因素變化的影響，產(chǎn)生質(zhì)變，進(jìn)而使自身的使用性能、壽命發(fā)生變化。為此，人們提出了很多種承壓類特種設(shè)備的檢驗(yàn)方法，其中最為常用的就是現(xiàn)場金相檢驗(yàn)法。運(yùn)用這種檢驗(yàn)方法能很清楚地了解到金屬材料的變化過程。

1 現(xiàn)場金相檢驗(yàn)方法概述

現(xiàn)場金相檢驗(yàn)的一般步驟包括取樣、粗磨、細(xì)磨、精磨、拋光、侵蝕、顯微鏡觀察、拍照或復(fù)膜。首先，取樣部位可根據(jù)檢驗(yàn)?zāi)康膩磉x擇，在原材料或鍛件的取樣中可進(jìn)行縱向、橫向取樣，其中縱向取樣包括帶狀組織、非金屬夾雜物大小、類型等；橫向取樣包括表面缺陷、覆蓋層等。在事故分析取樣中，可選擇零件損壞處及無損壞處部位進(jìn)行取樣，以便于對比。取樣方法包括鋸、刨、切割等。其次，在一系列磨制過程中，可依據(jù)材料特性來選擇磨制工具、方法。粗磨時，硬材料可選擇砂輪機(jī)，軟材料可選擇挫；細(xì)磨時，可用金相砂質(zhì)進(jìn)行手工細(xì)磨或用機(jī)械予磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械細(xì)磨。再者，拋光包括有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光等?？梢罁?jù)實(shí)際情況靈活選擇拋光方法。接下來，在侵蝕時，要科學(xué)選擇侵蝕劑。如碳鋼、低合金鋼可選擇硝酸酒精為侵蝕劑；淬火后的鋼晶、組織可選擇苦味酸、鹽酸、酒精為侵蝕劑。最后，在顯微鏡觀察、拍照時，可采用比較先進(jìn)的觀察儀器。同時借助計算機(jī)等設(shè)備將觀察到金屬材料組織表面狀態(tài)直觀地呈現(xiàn)出來，以便于對比。另外，在復(fù)膜時，應(yīng)先將復(fù)膜材料軟化，使其能夠流動后再將其與金屬面接觸并加壓，使之能完全填補(bǔ)圖像、磨面之間的空隙。

2 現(xiàn)場金相檢驗(yàn)在承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用

一般情況現(xiàn)場金相檢驗(yàn)在承壓特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在原材料檢驗(yàn)、產(chǎn)品制造工藝檢驗(yàn)、在用設(shè)備材質(zhì)檢驗(yàn)三個方面。

2.1 原材料檢驗(yàn)

在原材料的檢驗(yàn)中，應(yīng)用現(xiàn)場金相實(shí)驗(yàn)可以更加詳細(xì)地檢查材料的組織狀態(tài)、種類等。而后按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對比檢驗(yàn)結(jié)果就能夠迅速確定原材料的材質(zhì)、品質(zhì)。這樣能有效減少不良原材料的流入，降低承壓類特種設(shè)備員產(chǎn)品的不合格率。以鍋爐廠承壓類特種設(shè)備為例，在檢驗(yàn)新購爐管是否為有縫管時就可采用現(xiàn)場金相檢驗(yàn)方法。具體操作是檢驗(yàn)人員應(yīng)先可隨機(jī)截取一段鋼管為樣品進(jìn)行金相實(shí)驗(yàn)。而后對鋼管的橫截面進(jìn)行研磨。在研磨過程中，可根據(jù)實(shí)際需求靈活選擇角磨機(jī)、砂質(zhì)、金相砂質(zhì)等磨制工具。完成磨制后，可選擇硝酸酒精為侵蝕劑，濃度4%為最佳。然后再利用顯微鏡觀察橫截面的組織狀態(tài)。在觀察時，可選擇正常的母材組織為對照材料。這樣更能精確評估爐管質(zhì)量狀態(tài)。如果出現(xiàn)如圖1 的組織狀態(tài)，便可認(rèn)定該爐管不存在縫隙。如果其中出現(xiàn)未回火馬氏體，則表明其存在縫隙。最后，完成所有的檢驗(yàn)之后，就可出現(xiàn)關(guān)書面報告，詳細(xì)描述出檢驗(yàn)結(jié)果和樣品質(zhì)量。另外，通過現(xiàn)場金相檢驗(yàn)還可檢查鑄造材料、鍛造件的內(nèi)部組織狀態(tài)，從而判定是否具有氣孔、疏松、過熱、變形等情況。比如說鍛造件的過熱現(xiàn)象。當(dāng)鋼被加熱到過熱溫度以上后再進(jìn)行冷卻時便會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。大部分鋼材的過熱溫度約為1350±50℃，其具體表現(xiàn)就是鋼的塑性、韌性會比較差。換言之，也就是會出現(xiàn)較粗大的貝氏體或魏氏體組織。如圖2 所示。解決這一問題的主要措施采用正常的火繼續(xù)加熱。需要注意的是一旦鋼被加熱到超過過熱溫度的溫度，鋼晶粒就會繼續(xù)長大，同時晶粒邊界就會變得模糊，氧氣進(jìn)入后就會使鋼氧化。結(jié)果就是晶粒之間的結(jié)合力被破壞，鋼失去塑性和強(qiáng)度。這個現(xiàn)象可稱之為過燒。這種鋼只能報廢。在顯微鏡下觀察時會發(fā)現(xiàn)過燒狀態(tài)下，鋼內(nèi)部組織會只剩下魏氏組織和黑色氧化物。如圖3 所示。但是一般情況下，在原材料的金相檢驗(yàn)中不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖1 裂紋斷口狀態(tài)

圖2 晶粒粗大的魏氏體組織

圖3 過燒狀態(tài)

2.2 產(chǎn)品制造和安裝檢驗(yàn)

通常承壓類設(shè)備的制造、安裝需要技術(shù)部門監(jiān)督、檢驗(yàn)。除卻外觀檢查、無損檢查、規(guī)格檢查外，最重要的便是現(xiàn)場金相檢驗(yàn)。它不僅可以詳細(xì)檢驗(yàn)承壓類特種設(shè)備的損傷情況，還可全方位地檢查設(shè)備的熱影響區(qū)組織、焊縫的狀況。這樣檢驗(yàn)人員就能夠根據(jù)最終的檢驗(yàn)結(jié)果來判定設(shè)備的制造工藝水平和質(zhì)量。比如在焊縫檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)了馬氏體組織，證明該設(shè)備的生產(chǎn)工藝不合格。以材質(zhì)為P91 的蒸汽管為例，其金相組織中的板條狀馬氏體如圖4 所示。另外，在熱影響組織區(qū)域中，若發(fā)現(xiàn)了魏氏組織，也能證明該設(shè)備生產(chǎn)工藝不達(dá)標(biāo)，需技術(shù)人員及時解決這一問題，以降低設(shè)備損失率。以電鍋爐水冷壁管金相檢驗(yàn)為例。在粗磨樣品時可選擇角磨機(jī)，在細(xì)磨時可選擇120#、240#等批次的砂質(zhì)進(jìn)行均勻打磨，拋光時可用棉球先擦拭，后用酒精沖洗。侵蝕時可選擇硝酸酒精溶液。同時，為了更好地觀察到樣品組織狀態(tài)，可選擇XH-500 型現(xiàn)場金相顯微鏡，并根據(jù)是合計需求選擇合適倍數(shù)的物鏡、目鏡。并利用計算機(jī)設(shè)備，保存、打印結(jié)果圖。如果在顯微鏡下觀察到了如圖5 的組織，則表明其產(chǎn)生了魏氏組織，該設(shè)備制造工藝不合格。

圖4 馬氏組織

圖5 魏氏組織

2.3 在用設(shè)備材質(zhì)檢驗(yàn)

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，承壓類特種設(shè)備也在不斷改進(jìn)?，F(xiàn)今，合金鋼、不銹鋼等鋼材都被應(yīng)用到了特種設(shè)備的制造當(dāng)中。但經(jīng)過長時間高溫、高壓環(huán)境的運(yùn)行，這類鋼材料就會發(fā)生形變或者質(zhì)變，使得特種設(shè)備的使用性能、壽命大幅度下降。采用現(xiàn)場金相檢驗(yàn)方法就可有效檢驗(yàn)承壓類特種設(shè)備的質(zhì)量。結(jié)合實(shí)際不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場金相檢驗(yàn)不僅僅能夠發(fā)現(xiàn)難以發(fā)現(xiàn)的裂紋問題，還可用來檢查設(shè)備的老化問題。比如高溫作用下電站鍋爐集箱如果出現(xiàn)球化現(xiàn)象，檢驗(yàn)珠光體是否出現(xiàn)脫碳、氫腐蝕裂紋等問題，表明該設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)質(zhì)量問題。以某企業(yè)的加氫處理爐爐管為例，材質(zhì)是15CrMo，在對其進(jìn)行檢驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)爐管多處出現(xiàn)珠光體球化現(xiàn)象。如圖6 所示。另外，若在檢查中發(fā)現(xiàn)鍋爐受壓元件存在石墨化、蠕變、回火脆化等金屬組織狀態(tài)就可判定檢測金屬已失效。為了保證檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在鍋爐受壓元件的制造過程中，檢驗(yàn)人員就可利用金相檢驗(yàn)對其進(jìn)行檢驗(yàn)，并記錄下相關(guān)數(shù)據(jù)，以便為以后的定期檢驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)參考。以某家煉油廠整爐為例，其爐管材質(zhì)為TP347，在現(xiàn)場金相檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)其爐管融合線兩側(cè)出現(xiàn)了晶間腐蝕，如圖7 所示。

圖6 珠光體球化

圖7 晶間腐蝕

另外，伴隨著我國計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成熟，現(xiàn)場金相技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。如今，在現(xiàn)場金相檢驗(yàn)過程中，顯微鏡下的視圖已能夠直接顯示在計算機(jī)中。并且經(jīng)過專業(yè)的分析、處理，還能夠以檢驗(yàn)材料的基礎(chǔ)尺寸信息為基礎(chǔ)，分析出材料的使用性能，從而更好地幫助檢驗(yàn)人員完成特種設(shè)備的評估工作。

3 結(jié)語

現(xiàn)場金相檢驗(yàn)技術(shù)對于承壓類特種的安全運(yùn)行非常重要。但無論是在原材料的檢驗(yàn)過程中，還是在對設(shè)備生產(chǎn)工藝、在用設(shè)備材質(zhì)檢驗(yàn)的過程中，都應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際需求，按照現(xiàn)場金相檢驗(yàn)步驟，一步步地進(jìn)行承壓類特種設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，并依據(jù)最終的現(xiàn)實(shí)結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行分析、評估，從而準(zhǔn)確掌握特種設(shè)備的質(zhì)量狀態(tài)，避免安全事故的發(fā)生?？傊?，在承壓類特種設(shè)備的檢驗(yàn)中，加大現(xiàn)場金相檢驗(yàn)的研究力度不僅僅是保障工業(yè)生產(chǎn)正常運(yùn)行的客觀需求，更是現(xiàn)代化工業(yè)不斷發(fā)展的必然結(jié)果。