現場金相檢驗在承壓類特種設備檢驗中的應用

齊曉冰

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450080）

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現場金相檢驗在承壓類特種設備檢驗中的應用

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備失效的原因，然后從檢驗原材料、檢驗產品制造和安裝過程中使用的工藝質量以及檢驗在用設備材質裂化程度這3個方面，與現場案例相結合，對金相檢驗在承壓類特種設備檢驗過程中具體的應用進行了總結，并且對金相檢驗的重要意義進行了闡述。

關鍵詞：現場金相檢驗；承壓類特種設備；材質劣化

0. 前言

金屬材料的化學成分會隨著外部條件如溫度、時間和加工手段的改變而發生變化，形成不同的結晶狀態，如馬氏體、奧氏體、鐵素體、珠光體等，它們具有不同的機械性能。材料的微觀組織結構決定了其性能，而對微觀組織進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晶規律與機械性能的重要手段，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系。金相組織還可以有效地反映材料在使用過程中出現的變化，例如鍋爐構件長期運行環境是高溫狀態，自然會對其內部組織結構造成影響，使其出現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、應力以及運行時間等因素都會對這種變化的速度和程度產生影響，而我們在對材料劣化程度進行金相檢驗以后不僅可以作為有效的依據評定其安全狀況等級、合理地使用合金材料提供可靠的數據而且為采取有效方法控制材料劣化的發展提供依據。

1. 承壓類特種設備的失效形式

承壓類特種設備失效形式主要可以分為4種，分別是剛度失效、泄漏失效、失穩失效以及強度失效，其中最常見的一種失效形式是強度失效，因為工作環境比較特殊，所以帶來的后果也會是災難性的，例如爆炸和泄漏。鍋爐結構復雜并且需要在高溫、高壓的環境下工作，各種煙氣、火、介質等都會對其進行侵蝕，長此以往鍋爐的受壓部件很容易出現疲勞損壞、腐蝕和裂紋，或者是水循環系統出現故障，受熱面因此開裂最終導致嚴重的爆炸事故等。變形、表面出現損傷以及材料性能老化等是承壓類特種設備最常見的失效形式，設計和制造方面的缺陷、不正確的安裝過程、運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裂紋并且不斷擴展，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度失效，通過金相檢驗可以獲得比較直觀的判定依據。日本早于20世紀70年代的時候就對其國內的壓力容器事故原因進行了統計，材質出現了點腐蝕或者應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備的時候，金相檢驗不僅能判定材料的質量是否達標、熱處理工藝是否科學，還可以對材料的顯微組織狀態進行檢查，確定與設計要求是否滿足。如果材料出現了開裂的情況，金相檢驗的結果是幫助分析開裂原因的有效手段。對承壓類特種設備進行定期檢驗的時候，金相檢驗也能發揮良好的效果，在無損前提下判斷材料是否有劣化情況。當有劣化發生的時候，可以現場對其焊縫位置以及材質進行金相復膜，結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進行相應地處理，從宏觀檢驗發展成為了微觀檢驗，對于檢驗水平的提高助益良多。

2. 現場金相檢驗的應用

2.1 對進場原材料進行復驗

主要用來對材料進行檢查，確認其種類、組織成分、質量以及熱處理情況等是否與設計要求相滿足。可以通過檢驗宏觀金相的方式來對材料的冶煉質量進行確定，檢查材料中是否有裂紋、氣孔以及夾雜物的時候可以進行酸蝕試驗，是比較便捷的。金相檢驗有時候也能用來對進場材料的真實性進行判定，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，研磨其橫截面并進行制樣，然后準備4%的硝酸酒精并將整個橫截面侵入進去，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行檢驗，可以判斷其金相組織特征以及晶粒度，與質量證書上所說的材質種類以及熱處理狀態進行對比，就可以確定材料的真偽了。

2.2 檢驗產品制造以及安裝工藝的質量

如果制造、安裝的設備是承壓類特種設備，那么首先需要質量技術監督部門對其進行監督和檢驗，包括宏觀檢測、測量厚度、損傷檢驗等常規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。檢測特種設備并確定其焊接質量，是設備安全運行的關鍵性保證，金相檢驗是對焊縫以及熱影響組進行檢驗，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，或者是熱影響區德國熱區中有超出標準的魏氏組織等，都可以通過金相檢驗判斷出來。

2.3 檢驗在用設備的材質質量

承壓類特種設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，許多設備所處的工作環境是持續高溫高壓，例如使用耐熱鋼制成的鍋爐，大部分容器用鋼所處的介質具有很強的腐蝕性，時間長了材質必然會出現一定程度的劣化情況。金相檢驗可以對這些環境下的鋼材進行檢驗，例如對珠光體耐熱鋼的球化以及石墨化進行檢查；判斷在高溫高壓環境下造成的脫碳、氫腐蝕裂紋是否嚴重；對腐蝕環境導致的晶間腐蝕或者應力腐蝕裂紋進行檢查，斷口金相檢驗可以對具體的類型進行判定，對設備損壞的原因進行科學分析，并且金相檢驗還可以將那些不易發現的顯微裂紋找出來，這是無損探傷做不到的，還能對材料偏析老化進行檢查。

例如某電站的鍋爐，其集氣集箱出現了嚴重的球化現象，通過觀察其運行記錄我們發現，造成這種情況的主要原因是長時間在超溫狀態下運行。再例如某廠的爐管材質為不銹鋼、化工管道材質為碳鋼，這些材料劣化都是因為使用的時間過久，已經超過了設計使用年限所以出現了嚴重的老化情況。對這些設備進行金相檢驗，結果均為不合格組織并且需要報廢，具有不可回復的缺陷，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. 現場金相檢驗的流程以及未來的發展

3.1 現場金相檢驗一般程度

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

3.2 全新的金相檢驗技術

如今計算機技術正在快速發展中，人們研究出了計算機—金相顯微鏡系統，并在實際檢測工作中得以運用。對于金相檢驗來說，在金相組織分析中結合計算機處理圖像以及識別技術，是其未來的發展趨勢，利用計算機來進行圖像處理速度更快、精度更高，在工作效率方面實現了很大的提升。

人們在對材料組織轉變動力學進行研究的過程中，計算機定量金相分析技術發揮的作用是非常重要的。計算機來分析圖像，就可以將微觀組織中的各種參數例如平均尺寸、面積百分比以及長寬比等準確的測算出來，以這些參數為基礎就可以將材料內在的機械性能聯系找出來，從而更加科學地對材料進行評價以及使用。

在定量金相中結合數字圖像處理技術來測量分析材料組織，也是一種創新發展，數字圖像處理技術具有自己的特點，定量金相也有自己的要求，以這兩點為依據就可以找出一種準確且便捷的方法，在理論檢驗中進行定量分析。

結語

現場金相檢驗在用于承壓類特種設備檢驗的時候，主要檢驗內容為檢驗原材料、檢驗制造過程以及安裝工藝質量，以及檢驗在用設備材質劣化程度這3個方面。對于檢驗員來說，平時要不斷學習金相檢驗相關知識，并且在檢驗特種設備的過程中將其正確合理地應用進去作為有效的補充手段，找出常規檢驗手段不能發現的問題，保證特種設備能夠安全、穩定地運行。

參考文獻

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中圖分類號：TG315

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