现场金相检验在承压类特种设备检验中的应用

摘 要：本文首先对承压类特种设备失效的原因，然后从检验原材料、检验产品制造和安装过程中使用的工艺质量以及检验在用设备材质裂化程度这3个方面，与现场案例相结合，对金相检验在承压类特种设备检验过程中具体的应用进行了总结，并且对金相检验的重要意义进行了阐述。

关键词：现场金相检验；承压类特种设备；材质劣化

中图分类号：TG315 文献标识码：A0. 前言

金属材料的化学成分会随着外部条件如温度、时间和加工手段的改变而发生变化，形成不同的结晶状态，如马氏体、奥氏体、铁素体、珠光体等，它们具有不同的机械性能。材料的微观组织结构决定了其性能，而对微观组织进行检测的方法中最有效的无疑是金相检验。金相检验是研究金属材料结晶规律与机械性能的重要手段，从二维金相试样磨面或薄膜的显微组织测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。金相组织还可以有效地反映材料在使用过程中出现的变化，例如锅炉构件长期运行环境是高温状态，自然会对其内部组织结构造成影响，使其出现由微观到宏观明显的变化，而材料组织变化会影响钢材的性能，从而引起金属组织失效的种种变化。温度、应力以及运行时间等因素都会对这种变化的速度和程度产生影响，而我们在对材料劣化程度进行金相检验以后不仅可以作为有效的依据评定其安全状况等级、合理地使用合金材料提供可靠的数据而且为采取有效方法控制材料劣化的发展提供依据。

1. 承压类特种设备的失效形式

承压类特种设备失效形式主要可以分为4种，分别是刚度失效、泄漏失效、失稳失效以及强度失效，其中最常见的一种失效形式是强度失效，因为工作环境比较特殊，所以带来的后果也会是灾难性的，例如爆炸和泄漏。锅炉结构复杂并且需要在高温、高压的环境下工作，各种烟气、火、介质等都会对其进行侵蚀，长此以往锅炉的受压部件很容易出现疲劳损坏、腐蚀和裂纹，或者是水循环系统出现故障，受热面因此开裂最终导致严重的爆炸事故等。变形、表面出现损伤以及材料性能老化等是承压类特种设备最常见的失效形式，设计和制造方面的缺陷、不正确的安装过程、运行操作失误以及外力造成的损伤是其失效的主要原因。对于压力容器来说，最常见也是影响最大的损坏失效方式是出现裂纹并且不断扩展，最终形成断裂破坏，例如氢损伤、疲劳断裂等都是比较常见的。

疲劳断裂、腐蚀断裂、韧性断裂、脆性断裂以及蠕变断裂是最常见的几种强度失效，通过金相检验可以获得比较直观的判定依据。日本早于20世纪70年代的时候就对其国内的压力容器事故原因进行了统计，材质出现了点腐蚀或者应力腐蚀是最常见的事故原因，而金相检验是最主要的检测方法。在制造承压类特种设备的时候，金相检验不仅能判定材料的质量是否达标、热处理工艺是否科学，还可以对材料的显微组织状态进行检查，确定与设计要求是否满足。如果材料出现了开裂的情况，金相检验的结果是帮助分析开裂原因的有效手段。对承压类特种设备进行定期检验的时候，金相检验也能发挥良好的效果，在无损前提下判断材料是否有劣化情况。当有劣化发生的时候，可以现场对其焊缝位置以及材质进行金相复膜，结合其他手段得知材料失效的原因，并且将具体的失效程度显示出来，检验人员就可以为依据进行相应地处理，从宏观检验发展成为了微观检验，对于检验水平的提高助益良多。

2. 现场金相检验的应用

2.1 对进场原材料进行复验

主要用来对材料进行检查，确认其种类、组织成分、质量以及热处理情况等是否与设计要求相满足。可以通过检验宏观金相的方式来对材料的冶炼质量进行确定，检查材料中是否有裂纹、气孔以及夹杂物的时候可以进行酸蚀试验，是比较便捷的。金相检验有时候也能用来对进场材料的真实性进行判定，例如某锅炉厂新购买了一批热气管子，但是怀疑这些管子是有缝管，可以取一截管子作为样品，研磨其横截面并进行制样，然后准备4%的硝酸酒精并将整个横截面侵入进去，观察其侵蚀情况我们看到，焊缝部分和母材组织的宏观特征明显是不一样的，如图1所示。

将入场材料使用微观金相来进行检验，可以判断其金相组织特征以及晶粒度，与质量证书上所说的材质种类以及热处理状态进行对比，就可以确定材料的真伪了。

2.2 检验产品制造以及安装工艺的质量

如果制造、安装的设备是承压类特种设备，那么首先需要质量技术监督部门对其进行监督和检验，包括宏观检测、测量厚度、损伤检验等常规的检查以及金相检验。金相检验一般来说都属于评定焊接工艺的一个检验项目。检测特种设备并确定其焊接质量，是设备安全运行的关键性保证，金相检验是对焊缝以及热影响组进行检验，找出其微观组织特征，如果焊缝中有异常情况例如有马氏体组织存在，或者是热影响区德国热区中有超出标准的魏氏组织等，都可以通过金相检验判断出来。

2.3 检验在用设备的材质质量

承压类特种设备制造中涉及很多种类的钢，例如合金钢、不锈钢、碳素钢以及耐热钢等，许多设备所处的工作环境是持续高温高压，例如使用耐热钢制成的锅炉，大部分容器用钢所处的介质具有很强的腐蚀性，时间长了材质必然会出现一定程度的劣化情况。金相检验可以对这些环境下的钢材进行检验，例如对珠光体耐热钢的球化以及石墨化进行检查；判断在高温高压环境下造成的脱碳、氢腐蚀裂纹是否严重；对腐蚀环境导致的晶间腐蚀或者应力腐蚀裂纹进行检查，断口金相检验可以对具体的类型进行判定，对设备损坏的原因进行科学分析，并且金相检验还可以将那些不易发现的显微裂纹找出来，这是无损探伤做不到的，还能对材料偏析老化进行检查。

例如某电站的锅炉，其集气集箱出现了严重的球化现象，通过观察其运行记录我们发现，造成这种情况的主要原因是长时间在超温状态下运行。再例如某厂的炉管材质为不锈钢、化工管道材质为碳钢，这些材料劣化都是因为使用的时间过久，已经超过了设计使用年限所以出现了严重的老化情况。对这些设备进行金相检验，结果均为不合格组织并且需要报废，具有不可回复的缺陷，如果不予报废的话将会带来非常危险的后果，由此可见金相检验是非常重要的。

3. 现场金相检验的流程以及未来的发展

3.1 现场金相检验一般程度

首先将进行金相检测的位置选择出来，然后使用磨光机进行粗磨，接下来使用150#、300#以及600#的水砂纸依次进行细磨，完成后使用金相砂纸进行精磨并使用金刚石研磨膏进行抛光，下一步是从材质特点出发选择相应的侵蚀剂，然后将材料置于其中进行腐蚀并使用显微镜进行观察，需要拍摄现场照片。

3.2 全新的金相检验技术

如今计算机技术正在快速发展中，人们研究出了计算机―金相显微镜系统，并在实际检测工作中得以运用。对于金相检验来说，在金相组织分析中结合计算机处理图像以及识别技术，是其未来的发展趋势，利用计算机来进行图像处理速度更快、精度更高，在工作效率方面实现了很大的提升。

人们在对材料组织转变动力学进行研究的过程中，计算机定量金相分析技术发挥的作用是非常重要的。计算机来分析图像，就可以将微观组织中的各种参数例如平均尺寸、面积百分比以及长宽比等准确的测算出来，以这些参数为基础就可以将材料内在的机械性能联系找出来，从而更加科学地对材料进行评价以及使用。

在定量金相中结合数字图像处理技术来测量分析材料组织，也是一种创新发展，数字图像处理技术具有自己的特点，定量金相也有自己的要求，以这两点为依据就可以找出一种准确且便捷的方法，在理论检验中进行定量分析。

结语

现场金相检验在用于承压类特种设备检验的时候，主要检验内容为检验原材料、检验制造过程以及安装工艺质量，以及检验在用设备材质劣化程度这3个方面。对于检验员来说，平时要不断学习金相检验相关知识，并且在检验特种设备的过程中将其正确合理地应用进去作为有效的补充手段，找出常规检验手段不能发现的问题，保证特种设备能够安全、稳定地运行。

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