金相檢驗技術在電站鍋爐檢驗過程中的應用

孫亞云，高杰，李棟

（陜西省特種設備檢驗檢測研究院，陜西 西安 710048）

由于電站鍋爐發電量大、功率高，具有龐大的體積和復雜的熱循環系統，國家原質檢總局對于電站鍋爐的定期檢驗推出了相關檢驗要求，而金相檢驗作為其中重要的檢驗方法，可對電站鍋爐材質的內部組織變化及時掌控，從而對其使用安全做出合理準確的評價。

1 金相檢驗技術

金相檢驗是在被檢金屬部件不被破壞的前提下對其微觀組織的形貌、構成及分布進行分析的一種理化無損檢驗技術，并且通過分析金屬部件微觀組織的形貌、構成及分布可以判斷金屬部件的制造質量以及在運行過程中的組織變化情況。

2 金相檢驗的操作方法

金相檢驗操作通常分為實驗室金相，覆膜金相以及現場金相。實驗室金相與現場金相的操作方法為：金相位置選取-現場準備-粗磨-細磨（肉眼觀察不到明顯劃痕）-拋光（肉眼觀察不到劃痕）-酒精清洗-腐蝕合理的時間-酒精清洗-顯微鏡觀察并拍照；而復膜金相則是在腐蝕好的金屬部件上施加丙酮后與AC試紙貼合，當AC紙干燥后將其揭除并保存，從而獲得金屬部件內部組織的形貌、構成及分布的方法。

金相檢驗操作步驟如下。

（1）金相位置選取。金相位置的選取應該具有一定代表性，并且需要打磨的區域一般為直徑不超過20mm的圓形或者正方形。例如，在有缺陷（裂紋、變形等）的部位選取，以便分析缺陷產生的原因和發展趨勢；在異種金屬焊接接頭部位選取，以便分析接頭組織是否存在熱裂紋；在應力較大部位選取，以便觀察組織是否存在微裂紋及蠕變；在硬度測試異常部位取樣，以便分析該部位是否存在淬硬組織。

（2）現場準備。在電站鍋爐檢驗過程中，現場金相多數在高空位置，所以檢驗人員的人身安全存在一定的危險性。為此，在確保施工單位嚴格執行腳手架搭設規范的前提下，檢驗人員應佩戴安全帽及安全帶后可進行金相檢驗。

（3）粗磨。使用角磨機對所選位置進行粗磨，在粗磨過程中應當平整無凹坑。因為磨的太深會嚴重降低該部位的強度，而磨的太淺很難徹底清除掉部件表面小凹坑、鐵銹和脫碳層，對后續工序帶來很大不便，而且獲得的金相組織代表性不強，通常粗磨深度均大于0.5mm,具體以所檢部位表面狀況而定。磨的不平整或者所打磨的部位出現了凹坑會對后續細磨和拋光帶來很大不便，而且腐蝕過程中，腐蝕劑會在凹坑區域聚集易導致過度腐蝕，而在顯微鏡下觀察時，由于凹坑區域不平整，所觀察到的金相組織會出現部分觀察區域不清晰的現象。

（4）細磨。當粗磨完成以后，采用120＃～1000＃的干砂紙與角磨機貼合后對所磨區域逐級打磨，而且每當進行更高級別的打磨之前應確保已將上一級的劃痕完全消除，以此類推，直到肉眼觀察不到明顯劃痕為止。此外，在消除上一級打磨留下的劃痕時，應采用與上一級打磨方向垂直的打磨方向消除其所產生的劃痕，可獲得較好的除痕效果。

（5）拋光。在電站鍋爐現場金相檢驗過程中，通常采用機械拋光方法。機械拋光是將絨布貼合在角磨機上之后，在所拋位置或者絨布上均勻的涂上拋光膏，先使角磨機在較低的轉速運行，當拋光膏均勻混合于絨布與金屬表面時可適當增加角磨機轉速，因為拋光起始階段如果角磨機轉速較高會將拋光膏大量甩出，降低拋光膏作用。拋光完成以后，用鑷子夾取潔凈的棉花球蘸取適量酒精對所拋位置表面的油污、灰塵及殘留拋光膏等進行清除，當清除完成以后，如果用肉眼觀察不到劃痕，并且有鏡面效果，表明拋光效果較好。

（6）化學腐蝕。對于電站鍋爐中常用的低碳鋼和鉻鉬鋼通常采用硝酸酒精（硝酸體積為4%）溶液腐蝕；對于奧氏體不銹鋼通常采用王水（濃鹽酸(HCl)和濃硝酸(HNO3)體積比為3:1）腐蝕；而對于電站鍋爐采用的高強度并耐高溫蒸汽腐蝕的P91（10Cr9Mo1VNb）材質通常采用FeCl3溶液腐蝕。腐蝕時間應當合理。腐蝕時間過短，采用金相顯微鏡觀察到的組織不明顯；腐蝕時間過長，觀察到的組織發黑，晶粒和晶界形貌模糊不清。腐蝕完成后用酒精對金屬表面徹底清洗，避免殘留腐蝕劑對組織造成過度腐蝕。

（7）金相組織觀察。在電站鍋爐現場金相檢驗過程中，金相觀察首先通過調節便攜式金相顯微鏡觀察到清晰的組織形貌，然后將數碼相機與便攜式顯微鏡組合使用，最后按照檢驗要求對各區域組織拍照存檔。由于現場將數碼相機與便攜式顯微鏡組合使用不太方便，而且需要拍攝照片的數量較大，為了提高現場工作效率，也可采用金相覆膜方法對金相組織進行復型。

（8）金相覆膜。金相覆膜是利用AC紙溶于丙酮后貼合在金屬部件上對金屬部件金相組織進行復型的方法。在進行金相覆膜之前，為了確?；瘜W腐蝕的效果，通常先用金相顯微鏡觀察并確認金相組織腐蝕效果較好，金相組織清晰可見，然后采用丙酮潤濕已經腐蝕的部位并剪取適當大小的AC紙與附著丙酮的金屬部件貼合，并且丙酮滴入部件腐蝕面的量應當合適，滴的過多容易使AC紙中的醋酸纖維過度溶解而損壞，而且揭除不便；滴的過少會降低AC紙的貼合效果。由于電站鍋爐在檢修或者安裝過程中灰塵密布，所以應盡快對已經清洗的腐蝕部位進行丙酮潤濕，并將已經剪取好的AC紙貼合在金屬部件表面，減少灰塵附著于AC紙表面和將要貼合的金屬部件表面，如果發現AC紙表面存在灰塵，切勿用嘴吹去灰塵，因為在吹氣的過程中帶有的水分和周圍的灰塵會一起被吹向AC紙，并附著于AC紙上，不能提高AC紙表面的潔凈度。可捏住AC紙一角，然后用手指彈動AC紙，直到觀察不到明顯灰塵為止。

在貼合好AC紙以后，用手指從AC紙中心向外依次按壓，避免貼合面有氣孔產生，并在按壓過程中預留一個小角，以便揭除AC紙。自然干燥一段時間后，當AC紙完全干燥以后，從預留的小角處將AC紙緩慢揭除，并保存在已經準備好的載玻片上，如果揭除速度太快，AC紙可能被破壞。

3 案例分析

某電廠額定蒸發量為260t/h的電站鍋爐在運行約56000h后，特種設備檢驗人員按照相關標準要求對其進行定期檢驗，發現主蒸汽管道（材質為12Cr1MoVG）金相組織完全球化，并且硬度值低于標準要求，如圖1所示，組織由鐵素體和碳化物構成，并且絕大部分碳化物分布在鐵素體晶界上，觀察不到明顯的珠光體，導致其力學性能降低，影響電站鍋爐使用安全。檢驗人員依據相關標準評定其球化級別為4級，球化程度為完全球化，并且依據相關檢驗標準要求該電廠加強運行監控，擇機更換。

圖1 主蒸汽管道金相組織

4 結語

（1）闡明了金相檢驗技術的原理和操作方法。

（2）提出了金相檢驗在電站鍋爐檢驗過程中的操作要點和注意問題。

（3）舉例說明了金相檢驗技術在電站鍋爐定期檢驗中的重要作用。