摘要：金相检验技术是检验材料微观组织的一种重要手段，在材料研究领域中拥有举足轻重的地位。通过对微观组织的观察研究，确定材料是否存在劣化可能。在锅炉、压力容器、压力管道安全技术监察规程、定期检验规则中，都有提出金相检验的要求，用于判断材料、设备是否合格。本文主要介绍现场金相检验技术在锅炉、压力容器、压力管道检验中的应用。
关键词：金相检验技术；承压类特种设备检验；
承压类设备的发展，自工业革命以来，有百年历史。随着科技的发展、制造水平的提高，各类先进的特种材料更多的被应用到承压类特种设备中，同时承压类特种设备的运行参数也不断提高，对在用承压类特种设备的材料也提出了更高的要求，材料在使用过程中也承受了更加恶劣的工况，材料在复杂严苛的工况条件下长期服役，产生损伤劣化的可能性也加大，对设备的安全运行产生较大的影响。按照锅炉、压力容器、压力管道安全技术监察规程、定期检验规则，对在用的承压类特种设备检验中，宏观检验、壁厚测定，表面无损检测、埋藏缺陷检测是主要的检验项目，但对于可能存在材质损伤劣化的环境，金相检验技术就发挥了重要的作用。
传统的金相检验是在实验室完成的，需要从现场取样，从原材料上切割下一块具有代表性的位置进行检验分析。在针对在用锅炉、压力容器、压力管道现场检验时，此方法显然是不可取的。这就需要在现场完成金相检验过程，目前主要有两种方法：1、用现场金相显微镜进行现场检验，在现场磨抛腐蚀，观察拍照。2、覆膜手段，此方法可以将金相成像复制到覆膜纸上，带回实验室进行观察保存。本文主要介绍的是第一种方法。
一、现场金相仪器设备与辅材
金相显微镜是金相检验的主要仪器，利用金相显微镜在制备好的特定部位上观察材料的组织和缺陷。目前常用的是利用数据传输器将观察到的金相组织在笔记本电脑上显示，利用金相分析软件进行拍照保存，组织分析等。传统的用照相机进行拍照保存的方式，在目前的检验中已不常用。图一为现场金相仪。一般显微镜底座为磁吸，能够稳固在设备上，增强了现场适用性。
图1现场金相仪
磨抛设备是金相制样的重要设备，图2为实验室常用制样磨抛机，将从材料上切割取下的样品经粗磨、精磨后，在磨抛机上用不同粗细度的砂纸进行磨抛。图3为现场金相常用磨抛设备，用百叶轮（图4）去除材料表面杂质，油漆等。用纤维抛光轮（图5）将样品表面粗抛光，抛光时要沿着一个方向，直至样品表面的划痕完全覆盖百叶轮留下的划痕。用羊毛轮（图6）辅以研磨膏（图7）进行细抛光，抛光时要沿着一个方向，直至样品表面的划痕完全覆盖前一次抛光留下的划痕，最终表面为光滑无划痕，光洁镜面。研磨膏有不同的粗细度，一般常用的有20，10，5，3.5，2.5，根据需要选择不同粒度。有时在现场也用喷雾式研磨剂，效果会更好一些。
图2实验室常用制样磨抛机 图3现场金相常用磨抛设备
图4百叶轮 图5纤维抛光轮
图6羊毛抛光轮 图7研磨膏
对磨抛好的部位进行腐蚀，将事先配置好的腐蚀液，用棉花球蘸取腐蚀至表面发灰，失去金属镜面光泽。用酒精擦拭冲洗，必要时用吹风机进行吹干。接下来就可以用显微镜进行观察了。一般情况下，先用100倍或者200倍进行观察，选好需要进一步观察的部位后，再用500倍甚至更高的倍数进行观察。
需要说明的是，如果进行金属夹杂物的检验，就需要在未进行腐蚀的表面进行。一般情况下，影响在用设备安全运行的是材质损伤劣化，应在腐蚀状态下着重检验显微组织是否发生变化。
对于碳钢材料，常用的腐蚀液为4%硝酸酒精，不锈钢为王水，这些都需要在检验前提前配置好，配置好的腐蚀液应妥善保存，以免发生变质或伤人。为防止腐蚀液变质失效，一般现配现用。
图8现场金相检验一般流程图
二、在用设备的常见材质劣化情况
用于承压类特种设备的材料有很多，常见有碳素钢、低合金钢、高合金钢、耐热钢、低温钢、奥氏体不锈钢等。对于高温设备，如一些换热器、反应器、锅炉、管道等，这些材料长期在高温的环境下，容易产生脱碳，晶粒长大，珠光体球化，碳化物石墨化。如果环境中含有氢，也就是我们常说的临氢环境，在高温高压作用下就容易发生氢损伤。对于存在腐蚀的环境，易发生材料晶间腐蚀。一般情况下，在用设备还会受到应力的作用，从而产生应力腐蚀开裂。通过观察金相显微组织，可以发现常规磁粉检测，渗透检测无法发现的细小微观裂纹，材质劣化。
在某次快开门式压力容器检验过程中，通过渗透检测，发现该台压力容器的啮合齿处存在密集的开裂现象。经过金相检验，发现存在微观沿晶裂纹，某些渗透检测没有裂纹处，实际在微观组织观察中也存在沿晶裂纹。经材质光谱分析，发现该不锈钢材料贫Cr，由此推断，啮合齿材料因贫Cr造成晶间结合力下降，产生晶间腐蚀，在应力作用下产生应力腐蚀开裂。
图9某快开门式压力容器啮合齿处奥氏体不锈钢沿晶界开裂200X
在某次电厂高温蒸汽压力管道的检验过程中，材质为12Cr1MoV，选取温度较高、应力较大的部位进行金相检测，发现存在较为严重的球化现象，球化等级3级。检验完成后该厂对该压力管道进行了维修更换，避免了安全事故的发生。
图10某电厂高温蒸汽压力管道组织球化200X
三、结论
在检验中，检验员结合资料查看、现场交底和其他检验检测结果确定是否需要进行金相检验。将金相检验作为承压类特种设备检验的辅助手段，尤其是对于长期在恶劣工况下运行的承压特种设备，充分检验发挥金相检验的优势，对准确进行承压类特种设备安全状况等级的评定有重要的意义。如果通过金相检验，发现相同设备都出现同类型材料损伤劣化，这就需要考虑该材料在此工况条件下是否适用的问题。金相检验技术为设备剩余寿命预估，设备更新、材质更新发展提供了重要保障。
参考文献：
[1]胡义祥 金相检验实用技术 机械工业出版社 2012。
[2]强天鹏 压力容器检验 新华出版社 2008
论文作者:姜涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/16
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