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

齊曉冰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450080）

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

齊曉冰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450080）

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

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)；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(huì)隨著外部條件如溫度、時(shí)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(duì)微觀組織進(jìn)行檢測(cè)的方法中最有效的無(wú)疑是金相檢驗(yàn)。金相檢驗(yàn)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(cè)量和計(jì)算來(lái)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(guò)程中出現(xiàn)的變化，例如鍋爐構(gòu)件長(zhǎng)期運(yùn)行環(huán)境是高溫狀態(tài)，自然會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)間等因素都會(huì)對(duì)這種變化的速度和程度產(chǎn)生影響，而我們?cè)趯?duì)材料劣化程度進(jìn)行金相檢驗(yàn)以后不僅可以作為有效的依據(jù)評(píng)定其安全狀況等級(jí)、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(jiàn)的一種失效形式是強(qiáng)度失效，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境比較特殊，所以帶來(lái)的后果也會(huì)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(huì)對(duì)其進(jìn)行侵蝕，長(zhǎng)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(kāi)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(jiàn)的失效形式，設(shè)計(jì)和制造方面的缺陷、不正確的安裝過(guò)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(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)的幾種強(qiáng)度失效，通過(guò)金相檢驗(yàn)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(shí)候就對(duì)其國(guó)內(nèi)的壓力容器事故原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，材質(zhì)出現(xiàn)了點(diǎn)腐蝕或者應(yīng)力腐蝕是最常見(jiàn)的事故原因，而金相檢驗(yàn)是最主要的檢測(cè)方法。在制造承壓類特種設(shè)備的時(shí)候，金相檢驗(yàn)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(duì)材料的顯微組織狀態(tài)進(jìn)行檢查，確定與設(shè)計(jì)要求是否滿足。如果材料出現(xiàn)了開(kāi)裂的情況，金相檢驗(yàn)的結(jié)果是幫助分析開(kāi)裂原因的有效手段。對(duì)承壓類特種設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)的時(shí)候，金相檢驗(yàn)也能發(fā)揮良好的效果，在無(wú)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(shí)候，可以現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(lái)，檢驗(yàn)人員就可以為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)地處理，從宏觀檢驗(yàn)發(fā)展成為了微觀檢驗(yàn)，對(duì)于檢驗(yàn)水平的提高助益良多。

2. 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)的應(yīng)用

2.1 對(duì)進(jìn)場(chǎng)原材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)

主要用來(lái)對(duì)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(jì)要求相滿足?？梢酝ㄟ^(guò)檢驗(yàn)宏觀金相的方式來(lái)對(duì)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(shí)候可以進(jìn)行酸蝕試驗(yàn)，是比較便捷的。金相檢驗(yàn)有時(shí)候也能用來(lái)對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料的真實(shí)性進(jìn)行判定，例如某鍋爐廠新購(gòu)買(mǎi)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(gè)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(chǎng)材料使用微觀金相來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以判斷其金相組織特征以及晶粒度，與質(zhì)量證書(shū)上所說(shuō)的材質(zhì)種類以及熱處理狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，就可以確定材料的真?zhèn)瘟恕?/p>

2.2 檢驗(yàn)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(mén)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督和檢驗(yàn)，包括宏觀檢測(cè)、測(cè)量厚度、損傷檢驗(yàn)等常規(guī)的檢查以及金相檢驗(yàn)。金相檢驗(yàn)一般來(lái)說(shuō)都屬于評(píng)定焊接工藝的一個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目。檢測(cè)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(yàn)是對(duì)焊縫以及熱影響組進(jìn)行檢驗(yàn)，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(guó)熱區(qū)中有超出標(biāo)準(zhǔn)的魏氏組織等，都可以通過(guò)金相檢驗(yàn)判斷出來(lái)。

2.3 檢驗(yàn)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(shí)間長(zhǎng)了材質(zhì)必然會(huì)出現(xiàn)一定程度的劣化情況。金相檢驗(yàn)可以對(duì)這些環(huán)境下的鋼材進(jìn)行檢驗(yàn)，例如對(duì)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(duì)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(yàn)可以對(duì)具體的類型進(jìn)行判定，對(duì)設(shè)備損壞的原因進(jìn)行科學(xué)分析，并且金相檢驗(yàn)還可以將那些不易發(fā)現(xiàn)的顯微裂紋找出來(lái)，這是無(wú)損探傷做不到的，還能對(duì)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(guò)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(zhǎng)時(shí)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?yàn)槭褂玫臅r(shí)間過(guò)久，已經(jīng)超過(guò)了設(shè)計(jì)使用年限所以出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化情況。對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果均為不合格組織并且需要報(bào)廢，具有不可回復(fù)的缺陷，如果不予報(bào)廢的話將會(huì)帶來(lái)非常危險(xiǎn)的后果，由此可見(jiàn)金相檢驗(yàn)是非常重要的。

3. 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)的流程以及未來(lái)的發(fā)展

3.1 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)一般程度

首先將進(jìn)行金相檢測(cè)的位置選擇出來(lái)，然后使用磨光機(jī)進(jìn)行粗磨，接下來(lái)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(chǎng)照片。

3.2 全新的金相檢驗(yàn)技術(shù)

如今計(jì)算機(jī)技術(shù)正在快速發(fā)展中，人們研究出了計(jì)算機(jī)—金相顯微鏡系統(tǒng)，并在實(shí)際檢測(cè)工作中得以運(yùn)用。對(duì)于金相檢驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在金相組織分析中結(jié)合計(jì)算機(jī)處理圖像以及識(shí)別技術(shù)，是其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，利用計(jì)算機(jī)來(lái)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?cè)趯?duì)材料組織轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究的過(guò)程中，計(jì)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(jì)算機(jī)來(lái)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(zhǎng)寬比等準(zhǔn)確的測(cè)算出來(lái)，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(lái)，從而更加科學(xué)地對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)以及使用。

在定量金相中結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)測(cè)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(yàn)中進(jìn)行定量分析。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)在用于承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)的時(shí)候，主要檢驗(yàn)內(nèi)容為檢驗(yàn)原材料、檢驗(yàn)制造過(guò)程以及安裝工藝質(zhì)量，以及檢驗(yàn)在用設(shè)備材質(zhì)劣化程度這3個(gè)方面。對(duì)于檢驗(yàn)員來(lái)說(shuō)，平時(shí)要不斷學(xué)習(xí)金相檢驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，并且在檢驗(yàn)特種設(shè)備的過(guò)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(yàn)手段不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，保證特種設(shè)備能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

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中圖分類號(hào)：TG315

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