金相檢驗在承壓類設備檢驗中的應用

周兵 李越勝 邵春文 吳士強

廣東省特種設備檢測院順德分院，廣東順德 528300

金相檢驗在承壓類設備檢驗中的應用

周兵 李越勝 邵春文 吳士強

廣東省特種設備檢測院順德分院，廣東順德 528300

承壓類設備主要有四種失效形式，金相檢驗是其有效檢驗手段。本文闡述了現場檢驗中金相檢驗取樣的方法和難點，進一步闡述了金相檢驗的新技術。

承壓類設備；金相檢驗；失效形式

Pressuree quipment；Metallogirnasppheic tion；Failure form

前言

承壓類特種設備由于服役在苛刻工作環境高溫、高壓、低溫、易燃、易爆、劇毒和腐蝕性介質下，一旦發生事故會造成嚴重的環境污染、給企業生產和人民生活帶來巨大的危害和損失，直接影響到社會經濟發展的安定，而大部分承壓類設備事故是由材質劣化引起的，因此有效檢測出服役期間設備材質的安全狀況等級能極大地遏制事故的發生。金屬材料在其化學成分確定后，其性能主要取決于材料的微觀組織結構，而金相檢驗是檢測微觀組織最直接有效的方法，金相組織中攜帶著大量有關冶金質量、生產工藝的信息。材料服役期間產生的很多變化也可通過金相組織反映出來，如鍋爐構件長期在高溫、高應力條件下運行，其內部組織結構會發生明顯的變化，隨著組織的變化，鋼材的性能也會發生改變[1]，導致失效的金屬組織變化也會逐漸出現，其變化速度及程度與原始材料的組織成分、使用的溫度、應力以及使用時間等因素有關，通過檢驗可以了解材料的劣化程度，從而為檢驗工作安全狀況等級評定提供有效的依據[2]。

1、承壓類設備的失效形式及金相檢驗的重要性

承壓類設備主要失效形式可分為強度失效、剛度失效、失穩失效和泄漏失效等，而強度失效是其主要失效形式之一，考慮其服役的特殊性會發生爆炸和泄露兩種災難性后果。鍋爐由于結構復雜及其高溫、高壓的工作環境，同時還受到火、煙氣、灰、汽、水垢的侵蝕，使鍋爐受壓部件易遭受腐蝕、沖刷磨損以及疲勞損壞和蠕變裂紋，同時因水循環系統的故障使受熱面鼓包、燒壞、開裂等而發生爆炸和泄漏事故。壓力容器和壓力管道的主要失效形式有變形、斷裂、表面損傷和材料性能退化四大類，主要失效原因有設計、制造、安裝、管理、運行操作、檢測維修和外來損傷等方面。壓力容器的損壞失效方式中遇到最多、影響最大的是裂紋擴展，最終導致斷裂破壞，主要有疲勞斷裂、腐蝕破壞（應力腐蝕、點蝕、硫腐蝕等）、氫損傷等。壓力管道主要失效模式是以塑性極限載荷控制為主，而不是通常的斷裂力學控制，因壓力管道主要載荷為彎曲應力與熱脹應力，這與壓力容器承受內壓力為主有很大區別。

強度失效主要包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂和腐蝕斷裂，該五種斷裂形式可通過金相檢驗得到較直觀的判定依據。上世紀70年代日本專家學者曾統計過日本國內10年來壓力容器事故的原因，約70%的事故是由于容器的材質發生應力腐蝕和點腐蝕引起的，主要檢測手段是通過金相檢驗。在承壓類設備制造過程中，材料的質量是否合格，材料熱處理工藝是否合理，材料的顯微組織狀態是否滿足要求等都可通過金相檢驗結果來判定。對于材料開裂原因的分析，金相檢驗能提供最直接、可感觀的證據。在用承壓類設備定期檢驗中，判斷材料在使用中是否發生劣化，金相檢驗也是一種常用的無損檢驗方法，當其材質發生劣化時，對其材質和焊縫區域進行現場金相復膜或實驗室金相組織分析，結合必要的力學性能試驗、化學成分分析、超聲測厚等手段，可科學、準確地分析材質失效的原因，顯示損壞部位的失效程度，為檢驗人員作出正確的處理意見提供科學、直觀的圖像照片依據，使檢驗工作由宏觀檢驗進入微觀檢驗，大大提高了檢驗水平。在缺陷定量檢測基礎上，金相檢驗對承壓類特種設備的剩余強度和剩余壽命的安全評價提供有力的決策依據。

2、金相檢驗的常用方法及現場檢驗樣品制備

金相復膜（非破壞性）和現場切?。ㄆ茐男裕嶒炇抑茦邮浅袎侯愒O備現場檢驗中常用的金相檢驗方法，在承壓類設備檢驗中發揮著重要作用。與金相復膜方法相比，現場切取實驗室制樣更易獲得理想清晰照片，但需破壞設備結構部件的完整性而受實際工藝條件的限制。金相復膜片常用有AC紙和有機玻璃片。現場金相試樣的制備一般要經過磨平→磨光→研磨→拋光→浸蝕→復膜（金相復膜法）→觀察及攝影。關鍵步驟是取樣部位，浸蝕方法和評定方法。取樣的位置至關重要，是決定金相檢驗成敗的關鍵因素，依據生產工藝和實際工況選擇易發生材質劣化的部位作為取樣的部位，如果取樣的部位不具備典型性和代表性，其檢查結果將得不到正確的結論，即不能反映其真實性，反而會造成錯誤的判斷。金相試樣選取的方向、部位及數量應依據檢驗方案、檢驗目的、技術條件和雙方協議的規定進行。如電站鍋爐金相檢驗的重點是主蒸汽管道、再熱蒸汽管道及管件、過熱器及再熱器管子及出口集箱。檢驗現場制樣相對于實驗室取樣而言，難度較大，需做好以下兩點：

①由于現場金相取樣有時在高空位置或狹窄空間中作業，應配帶好安全保護帶，注意人身安全及設備安全。

②磨拋操作時，由于外界條件所限及環境的影響，在磨拋過程中要耐心仔細進行，不可操之過急。

常用浸蝕方法有化學浸蝕法和電解浸蝕法，具體依據實際試樣特點要求選取。評定方法應依據工件的實際工況及檢驗的目的選取。

3、金相檢驗的新技術

隨著計算機技術的發展，計算機一金相顯微鏡系統已應用于實際檢測中，計算機圖像處理與識別技術在金相組織分析中的研究與應用是金相檢驗的發展趨勢，將計算機應用于圖像處理，具有速度快、精度高等優點，可大大提高工作效率。

計算機定量金相分析技術正逐漸成為人們研究材料組織轉變動力學的有力工具。計算機圖像分析系統可以測算出微觀組織中特征物的面積百分數、平均間距、平均尺寸、長寬比等各種參數，依據這些參數建立材料機械性能的內在聯系，為科學評價材料、合理使用材料提供強有力的依據。

數字圖像處理技術用于定量金相中材料組織的測量分析，依據數字圖像處理技術的特點和定量金相的要求，為理論檢驗、測試提供準確、快速的定量分析方法。

圖像分析儀因其科學性、高精度性以及可重復性而廣泛地應用于金相定量分析中，圖像分析儀具有先進的圖像測量技術和圖片處理功能。

彩色視頻金相顯微鏡是一種新型的金相檢驗檢測儀器，因其方便、快捷、功能多樣靈活而具有強大的優勢。

[1] 郭志強, 胡越峰.金相檢驗在鍋爐定期檢驗中的應用[J].河南科技，2011（19）

[2] 邱一農,關慶玉等.金相分析技術在運行鍋爐檢驗中的應用[J].熱能動力工程，1997（3）

Pressure equipment has four main failure forms, and metallograpehxic aminatioisn the effective means of inspectioInn. this paper,i t is expoundethd at the on-site inspectiomn etallograpehxic aminat ion methoda nd the difficulty, further elaboratetd he metallographic test new technologies

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.025