金相检验在承压类设备检验中的应用

周兵 李越胜 邵春文 吴士强

广东省特种设备检测院顺德分院，广东顺德 528300

金相检验在承压类设备检验中的应用

周兵 李越胜 邵春文 吴士强

广东省特种设备检测院顺德分院，广东顺德 528300

承压类设备主要有四种失效形式，金相检验是其有效检验手段。本文阐述了现场检验中金相检验取样的方法和难点，进一步阐述了金相检验的新技术。

承压类设备；金相检验；失效形式

Pressuree quipment；Metallogirnasppheic tion；Failure form

前言

承压类特种设备由于服役在苛刻工作环境高温、高压、低温、易燃、易爆、剧毒和腐蚀性介质下，一旦发生事故会造成严重的环境污染、给企业生产和人民生活带来巨大的危害和损失，直接影响到社会经济发展的安定，而大部分承压类设备事故是由材质劣化引起的，因此有效检测出服役期间设备材质的安全状况等级能极大地遏制事故的发生。金属材料在其化学成分确定后，其性能主要取决于材料的微观组织结构，而金相检验是检测微观组织最直接有效的方法，金相组织中携带着大量有关冶金质量、生产工艺的信息。材料服役期间产生的很多变化也可通过金相组织反映出来，如锅炉构件长期在高温、高应力条件下运行，其内部组织结构会发生明显的变化，随着组织的变化，钢材的性能也会发生改变[1]，导致失效的金属组织变化也会逐渐出现，其变化速度及程度与原始材料的组织成分、使用的温度、应力以及使用时间等因素有关，通过检验可以了解材料的劣化程度，从而为检验工作安全状况等级评定提供有效的依据[2]。

1、承压类设备的失效形式及金相检验的重要性

承压类设备主要失效形式可分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效等，而强度失效是其主要失效形式之一，考虑其服役的特殊性会发生爆炸和泄露两种灾难性后果。锅炉由于结构复杂及其高温、高压的工作环境，同时还受到火、烟气、灰、汽、水垢的侵蚀，使锅炉受压部件易遭受腐蚀、冲刷磨损以及疲劳损坏和蠕变裂纹，同时因水循环系统的故障使受热面鼓包、烧坏、开裂等而发生爆炸和泄漏事故。压力容器和压力管道的主要失效形式有变形、断裂、表面损伤和材料性能退化四大类，主要失效原因有设计、制造、安装、管理、运行操作、检测维修和外来损伤等方面。压力容器的损坏失效方式中遇到最多、影响最大的是裂纹扩展，最终导致断裂破坏，主要有疲劳断裂、腐蚀破坏（应力腐蚀、点蚀、硫腐蚀等）、氢损伤等。压力管道主要失效模式是以塑性极限载荷控制为主，而不是通常的断裂力学控制，因压力管道主要载荷为弯曲应力与热胀应力，这与压力容器承受内压力为主有很大区别。

强度失效主要包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂和腐蚀断裂，该五种断裂形式可通过金相检验得到较直观的判定依据。上世纪70年代日本专家学者曾统计过日本国内10年来压力容器事故的原因，约70%的事故是由于容器的材质发生应力腐蚀和点腐蚀引起的，主要检测手段是通过金相检验。在承压类设备制造过程中，材料的质量是否合格，材料热处理工艺是否合理，材料的显微组织状态是否满足要求等都可通过金相检验结果来判定。对于材料开裂原因的分析，金相检验能提供最直接、可感观的证据。在用承压类设备定期检验中，判断材料在使用中是否发生劣化，金相检验也是一种常用的无损检验方法，当其材质发生劣化时，对其材质和焊缝区域进行现场金相复膜或实验室金相组织分析，结合必要的力学性能试验、化学成分分析、超声测厚等手段，可科学、准确地分析材质失效的原因，显示损坏部位的失效程度，为检验人员作出正确的处理意见提供科学、直观的图像照片依据，使检验工作由宏观检验进入微观检验，大大提高了检验水平。在缺陷定量检测基础上，金相检验对承压类特种设备的剩余强度和剩余寿命的安全评价提供有力的决策依据。

2、金相检验的常用方法及现场检验样品制备

金相复膜（非破坏性）和现场切取（破坏性）实验室制样是承压类设备现场检验中常用的金相检验方法，在承压类设备检验中发挥着重要作用。与金相复膜方法相比，现场切取实验室制样更易获得理想清晰照片，但需破坏设备结构部件的完整性而受实际工艺条件的限制。金相复膜片常用有AC纸和有机玻璃片。现场金相试样的制备一般要经过磨平→磨光→研磨→抛光→浸蚀→复膜（金相复膜法）→观察及摄影。关键步骤是取样部位，浸蚀方法和评定方法。取样的位置至关重要，是决定金相检验成败的关键因素，依据生产工艺和实际工况选择易发生材质劣化的部位作为取样的部位，如果取样的部位不具备典型性和代表性，其检查结果将得不到正确的结论，即不能反映其真实性，反而会造成错误的判断。金相试样选取的方向、部位及数量应依据检验方案、检验目的、技术条件和双方协议的规定进行。如电站锅炉金相检验的重点是主蒸汽管道、再热蒸汽管道及管件、过热器及再热器管子及出口集箱。检验现场制样相对于实验室取样而言，难度较大，需做好以下两点：

①由于现场金相取样有时在高空位置或狭窄空间中作业，应配带好安全保护带，注意人身安全及设备安全。

②磨抛操作时，由于外界条件所限及环境的影响，在磨抛过程中要耐心仔细进行，不可操之过急。

常用浸蚀方法有化学浸蚀法和电解浸蚀法，具体依据实际试样特点要求选取。评定方法应依据工件的实际工况及检验的目的选取。

3、金相检验的新技术

随着计算机技术的发展，计算机一金相显微镜系统已应用于实际检测中，计算机图像处理与识别技术在金相组织分析中的研究与应用是金相检验的发展趋势，将计算机应用于图像处理，具有速度快、精度高等优点，可大大提高工作效率。

计算机定量金相分析技术正逐渐成为人们研究材料组织转变动力学的有力工具。计算机图像分析系统可以测算出微观组织中特征物的面积百分数、平均间距、平均尺寸、长宽比等各种参数，依据这些参数建立材料机械性能的内在联系，为科学评价材料、合理使用材料提供强有力的依据。

数字图像处理技术用于定量金相中材料组织的测量分析，依据数字图像处理技术的特点和定量金相的要求，为理论检验、测试提供准确、快速的定量分析方法。

图像分析仪因其科学性、高精度性以及可重复性而广泛地应用于金相定量分析中，图像分析仪具有先进的图像测量技术和图片处理功能。

彩色视频金相显微镜是一种新型的金相检验检测仪器，因其方便、快捷、功能多样灵活而具有强大的优势。

[1] 郭志强, 胡越峰.金相检验在锅炉定期检验中的应用[J].河南科技，2011（19）

[2] 邱一农,关庆玉等.金相分析技术在运行锅炉检验中的应用[J].热能动力工程，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