現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)在承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)中的運(yùn)用

孟繁熙

摘 ? 要：在承壓類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)中，金相檢驗(yàn)是一種重要的技術(shù)手段，通過(guò)金相檢驗(yàn)可以觀察診斷材料的微觀組織情況，TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等特種設(shè)備法規(guī)均對(duì)在役設(shè)備的定期檢驗(yàn)時(shí)，需要做金相的情況進(jìn)行了規(guī)定。該文作者通過(guò)豐富的鍋爐壓力容器檢驗(yàn)實(shí)踐，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)在檢驗(yàn)中的主要作用進(jìn)行了總結(jié)，為檢驗(yàn)人員提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：金相;鍋爐壓力容器;檢驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

承壓類(lèi)特種設(shè)備多使用金屬材料制造，在設(shè)備服役期間，材料受到溫度、壓力、腐蝕介質(zhì)的作用，而可能導(dǎo)致材料微觀組織的變化，實(shí)驗(yàn)表明微觀組織的變化與材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等強(qiáng)度指標(biāo)有必然的聯(lián)系，因此，對(duì)于承壓類(lèi)特種設(shè)備，適時(shí)關(guān)注其制造材料的微觀組織的變化，對(duì)于保障設(shè)備安全運(yùn)行具有重要意義。金相檢驗(yàn)是觀察診斷金屬材料微觀組織最常用的一種檢驗(yàn)方法，TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求對(duì)過(guò)熱器、再熱器集箱和集汽集箱、過(guò)熱器和再熱器管、鍋爐范圍內(nèi)管道和主要連接管道以及有關(guān)閥門(mén)等部位進(jìn)行金相抽查，而TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》在材料分析相關(guān)章節(jié)也要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行金相分析。通過(guò)大量檢驗(yàn)實(shí)踐，結(jié)合其他檢測(cè)方法，可以得知金相檢驗(yàn)可以在設(shè)備檢驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)起到重要作用。

1 金相檢驗(yàn)的基本原理

金相檢驗(yàn)是利用光學(xué)或者電子顯微技術(shù)，窺探金屬材料的組成相、組織組成物以及微觀缺陷的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布，從而診斷所檢驗(yàn)金屬材料的質(zhì)量，通常包括金屬顯微觀察技術(shù)和攝像技術(shù)2種形式。金相檢驗(yàn)可以檢測(cè)出常規(guī)無(wú)損檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)的缺陷，例如晶間腐蝕等。其檢驗(yàn)過(guò)程包括金相點(diǎn)的選取、金相組織的粗磨、金相組織的細(xì)磨、金相組織的拋光與浸蝕、金相組織的觀察、金相組織老化評(píng)定等六個(gè)步驟。對(duì)于承壓類(lèi)特種設(shè)備而言，每個(gè)步驟都要符合相關(guān)法規(guī)的要求。對(duì)于金相點(diǎn)的選取，在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，一般在設(shè)備缺陷處、溫度最高處、大應(yīng)力位置、硬度反常區(qū)域以及設(shè)備變形嚴(yán)重的部位進(jìn)行檢驗(yàn)。金相組織的粗磨，采用電動(dòng)角向砂輪機(jī)，選擇80號(hào)砂輪片或180號(hào)砂輪盤(pán)，打磨的時(shí)候應(yīng)嚴(yán)格控制打磨深度，過(guò)深會(huì)影響設(shè)備安全，而過(guò)淺則無(wú)法將表面脫碳層清除，影響檢驗(yàn)結(jié)論。金相組織的細(xì)磨主要控制的是粒度標(biāo)號(hào)，有180、320、480、600、800、1 000 等幾種選擇，拋磨時(shí)，要注意每道細(xì)磨完成以后要進(jìn)行轉(zhuǎn)角90°，以消除劃痕，保證被檢測(cè)點(diǎn)光滑平整。金相組織的拋光與浸蝕，現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)時(shí)，主要采用的是機(jī)械拋光和化學(xué)拋光2種方法，而浸蝕化學(xué)浸蝕劑為4% 的硝酸酒精，使珠光體發(fā)黑增加珠光體區(qū)域的襯度，以顯示鐵素體晶界。金相組織的觀察，倍率選擇為從低到高，同一檢測(cè)點(diǎn)，視場(chǎng)面不少于3個(gè)，必要時(shí)可以采用金相復(fù)型技術(shù)。金相組織老化評(píng)定，對(duì)于珠光體鋼最明顯的特征是碳化物析出粒子的粗化和珠光體球化。對(duì)于非珠光體材料可采用綜合考慮晶粒和晶界區(qū)域不同變化狀況的方法進(jìn)行老化評(píng)級(jí)。

2 現(xiàn)場(chǎng)金相在承壓類(lèi)設(shè)備檢驗(yàn)中的主要作用

現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)是指利用便攜式金相檢驗(yàn)設(shè)備，在檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備或材料進(jìn)行取樣、制樣、觀察，以了解所檢測(cè)工件的組織形貌、缺陷形態(tài)的一種無(wú)損檢驗(yàn)方法。在鍋爐和壓力容器現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中，其主要作用有3個(gè)方面。

2.1 甄別材料是否錯(cuò)用以及判斷材料供貨狀態(tài)符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于承壓類(lèi)特種設(shè)備的制造材料的供貨狀態(tài)都進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，例如GB713《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)要求12Cr1MoVR的供貨為正火加回火，GB150《壓力容器》中，對(duì)于Q345R材料的供貨狀態(tài)，根據(jù)厚度不同，供貨狀態(tài)也分為熱軋、控扎、正火等不同的狀態(tài)。只有采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的供貨狀態(tài)制造的特種設(shè)備，才能符合安全需要。在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)材料錯(cuò)用的情況，例如在對(duì)飽和塔的進(jìn)行制造監(jiān)督檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該壓力容器設(shè)計(jì)圖紙中，封頭的材料為1Cr18Ni9Ti，由于其對(duì)晶間腐蝕較為敏感，特要求材料供貨狀態(tài)要求為固溶，其金相組織應(yīng)為單一的奧氏體，但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)， 母材組織為奧氏體+鐵素體+碳化物的復(fù)相組織，說(shuō)明供貨狀態(tài)有問(wèn)題，經(jīng)過(guò)溝通，對(duì)制造單位下達(dá)了檢驗(yàn)意見(jiàn)通知書(shū)，更換了合格供貨狀態(tài)的材料，避免了問(wèn)題設(shè)備流入市場(chǎng)。

2.2 了解設(shè)備材質(zhì)的組織變化情況

材質(zhì)的組織變化包括材質(zhì)裂化脫碳、過(guò)燒、球化、及石墨化等形式，對(duì)于承壓類(lèi)特種設(shè)備，這些材質(zhì)裂化形式都會(huì)對(duì)材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等影響設(shè)備安全的屬性造成重大影響。例如《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》中，石墨化嚴(yán)重的材料的強(qiáng)度降低值最高可達(dá)40%。因此，在實(shí)際檢驗(yàn)中，利用金相檢驗(yàn)對(duì)材料的微觀組織進(jìn)行檢驗(yàn)，可以最大程度地預(yù)防事故的發(fā)生。圖1 為某電站鍋爐定期檢驗(yàn)中，其爐管組織嚴(yán)重球化的金相照片，爐管材質(zhì)為12Cr1MoV。圖2 為某化工廠電站鍋爐主蒸汽管材質(zhì)產(chǎn)生劣化并脹粗的金相組織照片。主汽管材質(zhì)為20G。由圖2 可以看出，其金相組織有明顯的石墨化現(xiàn)象，石墨聚集成塊，石墨塊較大，且具有連續(xù)性，石墨化等級(jí)可評(píng)為3 級(jí)，在檢驗(yàn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)此類(lèi)石墨化嚴(yán)重的設(shè)備，就應(yīng)引起重視，要求使用單位采取措施，杜絕事故的發(fā)生。

電站鍋爐等特種設(shè)備由于其高溫、高壓等使用工況，其閥門(mén)閥體材料在服役過(guò)程中，由于蠕變、珠光體球化和石墨化等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致組織劣化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度等性能下降，極端情況下甚至?xí)斐砷y門(mén)閥體的失效，因此對(duì)在役閥門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)很有必要，對(duì)使用溫度高，開(kāi)關(guān)頻繁及發(fā)生異常的閥門(mén)，應(yīng)重點(diǎn)檢查。TSG G7002—2015規(guī)定對(duì)工作溫度大于或者等于450℃的閥門(mén)閥體進(jìn)行硬度和金相檢測(cè)抽查。對(duì)在役閥門(mén)閥體的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)方法可參照其他設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)方法，對(duì)閥門(mén)閥體的金相組織結(jié)果分析時(shí)應(yīng)考慮一般大口徑閥門(mén)閥體材質(zhì)一般多為鑄造成型，其晶粒度等金相組織特征與一般集箱、管道金相組織的區(qū)別。

2.3 了解焊縫組織情況，評(píng)價(jià)焊縫成型質(zhì)量和焊接工藝執(zhí)行情況

焊接工作是承壓類(lèi)特種設(shè)備的主要工作，在某些設(shè)備中，焊接占總工作量的比重最高可達(dá)30%。焊接接頭質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命和安全。焊接接頭質(zhì)量一般通過(guò)四大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)控制，但是這些無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法檢驗(yàn)焊縫的微觀組織，例如是否存在魏氏體，晶粒是否異常等。通過(guò)金相檢驗(yàn)，可以更深入地了解焊縫成型質(zhì)量以及焊工對(duì)焊接工藝的執(zhí)行情況。

2.4 結(jié)合硬度檢測(cè)判別材質(zhì)種類(lèi)

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中，8.3.8條，材料分析根據(jù)具體情況，可以采用化學(xué)分析、光譜分析、硬度檢測(cè)、金相分析等方法。在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中，例如當(dāng)材質(zhì)不明時(shí)，結(jié)合硬度檢測(cè)能初步判斷材質(zhì)所屬范圍。圖3 為一鍋爐主蒸汽管金相組織照片，其珠光體含量在25% 左右，且硬度小于156HB，即可初步確定其材質(zhì)為含碳量在0.2%左右的低碳鋼。

3 結(jié)語(yǔ)

金相檢驗(yàn)是鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中的一種重要檢驗(yàn)方法，具有對(duì)設(shè)備無(wú)損傷、直接在現(xiàn)場(chǎng)取樣、設(shè)備簡(jiǎn)單輕便等優(yōu)越性。了解其檢驗(yàn)原理，在檢驗(yàn)中多加實(shí)踐，結(jié)合其他檢驗(yàn)方法，有著更為廣泛的運(yùn)用。

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