淺談現場金相檢驗在承壓類特種設備檢驗中的應用

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）

承壓類特種設備會受到溫度、壓力等因素變化的影響，產生質變，進而使自身的使用性能、壽命發生變化。為此，人們提出了很多種承壓類特種設備的檢驗方法，其中最為常用的就是現場金相檢驗法。運用這種檢驗方法能很清楚地了解到金屬材料的變化過程。

1 現場金相檢驗方法概述

現場金相檢驗的一般步驟包括取樣、粗磨、細磨、精磨、拋光、侵蝕、顯微鏡觀察、拍照或復膜。首先，取樣部位可根據檢驗目的來選擇，在原材料或鍛件的取樣中可進行縱向、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，軟材料可選擇挫；細磨時，可用金相砂質進行手工細磨或用機械予磨機進行機械細磨。再者，拋光包括有機械拋光、電解拋光、化學拋光等。可依據實際情況靈活選擇拋光方法。接下來，在侵蝕時，要科學選擇侵蝕劑。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，可采用比較先進的觀察儀器。同時借助計算機等設備將觀察到金屬材料組織表面狀態直觀地呈現出來，以便于對比。另外，在復膜時，應先將復膜材料軟化，使其能夠流動后再將其與金屬面接觸并加壓，使之能完全填補圖像、磨面之間的空隙。

2 現場金相檢驗在承壓類特種設備檢驗中的應用

一般情況現場金相檢驗在承壓特種設備檢驗中的應用主要體現在原材料檢驗、產品制造工藝檢驗、在用設備材質檢驗三個方面。

2.1 原材料檢驗

在原材料的檢驗中，應用現場金相實驗可以更加詳細地檢查材料的組織狀態、種類等。而后按照設計標準，對比檢驗結果就能夠迅速確定原材料的材質、品質。這樣能有效減少不良原材料的流入，降低承壓類特種設備員產品的不合格率。以鍋爐廠承壓類特種設備為例，在檢驗新購爐管是否為有縫管時就可采用現場金相檢驗方法。具體操作是檢驗人員應先可隨機截取一段鋼管為樣品進行金相實驗。而后對鋼管的橫截面進行研磨。在研磨過程中，可根據實際需求靈活選擇角磨機、砂質、金相砂質等磨制工具。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。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量狀態。如果出現如圖1 的組織狀態，便可認定該爐管不存在縫隙。如果其中出現未回火馬氏體，則表明其存在縫隙。最后，完成所有的檢驗之后，就可出現關書面報告，詳細描述出檢驗結果和樣品質量。另外，通過現場金相檢驗還可檢查鑄造材料、鍛造件的內部組織狀態，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象。當鋼被加熱到過熱溫度以上后再進行冷卻時便會產生過熱現象。大部分鋼材的過熱溫度約為1350±50℃，其具體表現就是鋼的塑性、韌性會比較差。換言之，也就是會出現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，鋼晶粒就會繼續長大，同時晶粒邊界就會變得模糊，氧氣進入后就會使鋼氧化。結果就是晶粒之間的結合力被破壞，鋼失去塑性和強度。這個現象可稱之為過燒。這種鋼只能報廢。在顯微鏡下觀察時會發現過燒狀態下，鋼內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中不會出現這種現象。

圖1 裂紋斷口狀態

圖2 晶粒粗大的魏氏體組織

圖3 過燒狀態

2.2 產品制造和安裝檢驗

通常承壓類設備的制造、安裝需要技術部門監督、檢驗。除卻外觀檢查、無損檢查、規格檢查外，最重要的便是現場金相檢驗。它不僅可以詳細檢驗承壓類特種設備的損傷情況，還可全方位地檢查設備的熱影響區組織、焊縫的狀況。這樣檢驗人員就能夠根據最終的檢驗結果來判定設備的制造工藝水平和質量。比如在焊縫檢驗過程中，發現了馬氏體組織，證明該設備的生產工藝不合格。以材質為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，在熱影響組織區域中，若發現了魏氏組織，也能證明該設備生產工藝不達標，需技術人員及時解決這一問題，以降低設備損失率。以電鍋爐水冷壁管金相檢驗為例。在粗磨樣品時可選擇角磨機，在細磨時可選擇120#、240#等批次的砂質進行均勻打磨，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，可選擇XH-500 型現場金相顯微鏡，并根據是合計需求選擇合適倍數的物鏡、目鏡。并利用計算機設備，保存、打印結果圖。如果在顯微鏡下觀察到了如圖5 的組織，則表明其產生了魏氏組織，該設備制造工藝不合格。

圖4 馬氏組織

圖5 魏氏組織

2.3 在用設備材質檢驗

隨著我國工業的發展，承壓類特種設備也在不斷改進。現今，合金鋼、不銹鋼等鋼材都被應用到了特種設備的制造當中。但經過長時間高溫、高壓環境的運行，這類鋼材料就會發生形變或者質變，使得特種設備的使用性能、壽命大幅度下降。采用現場金相檢驗方法就可有效檢驗承壓類特種設備的質量。結合實際不難發現，現場金相檢驗不僅僅能夠發現難以發現的裂紋問題，還可用來檢查設備的老化問題。比如高溫作用下電站鍋爐集箱如果出現球化現象，檢驗珠光體是否出現脫碳、氫腐蝕裂紋等問題，表明該設備已經出現質量問題。以某企業的加氫處理爐爐管為例，材質是15CrMo，在對其進行檢驗時，發現爐管多處出現珠光體球化現象。如圖6 所示。另外，若在檢查中發現鍋爐受壓元件存在石墨化、蠕變、回火脆化等金屬組織狀態就可判定檢測金屬已失效。為了保證檢驗結果的準確性，在鍋爐受壓元件的制造過程中，檢驗人員就可利用金相檢驗對其進行檢驗，并記錄下相關數據，以便為以后的定期檢驗提供必要的數據參考。以某家煉油廠整爐為例，其爐管材質為TP347，在現場金相檢驗時發現其爐管融合線兩側出現了晶間腐蝕，如圖7 所示。

圖6 珠光體球化

圖7 晶間腐蝕

另外，伴隨著我國計算機技術的發展和成熟，現場金相技術也在不斷的進步。如今，在現場金相檢驗過程中，顯微鏡下的視圖已能夠直接顯示在計算機中。并且經過專業的分析、處理，還能夠以檢驗材料的基礎尺寸信息為基礎，分析出材料的使用性能，從而更好地幫助檢驗人員完成特種設備的評估工作。

3 結語

現場金相檢驗技術對于承壓類特種的安全運行非常重要。但無論是在原材料的檢驗過程中，還是在對設備生產工藝、在用設備材質檢驗的過程中，都應當結合實際需求，按照現場金相檢驗步驟，一步步地進行承壓類特種設備進行檢驗，并依據最終的現實結果對設備進行分析、評估，從而準確掌握特種設備的質量狀態，避免安全事故的發生。總之，在承壓類特種設備的檢驗中，加大現場金相檢驗的研究力度不僅僅是保障工業生產正常運行的客觀需求，更是現代化工業不斷發展的必然結果。