现场金相检验在承压类特种设备检验中的运用

孟繁熙

摘   要：在承压类特种设备检验中，金相检验是一种重要的技术手段，通过金相检验可以观察诊断材料的微观组织情况，TSG G7002—2015《锅炉定期检验规则》、TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》等特种设备法规均对在役设备的定期检验时，需要做金相的情况进行了规定。该文作者通过丰富的锅炉压力容器检验实践，对现场金相检验在检验中的主要作用进行了总结，为检验人员提供了一些参考。

关键词：金相;锅炉压力容器;检验

中图分类号：TG115       文献标志码：A

0 引言

承压类特种设备多使用金属材料制造，在设备服役期间，材料受到温度、压力、腐蚀介质的作用，而可能导致材料微观组织的变化，实验表明微观组织的变化与材料的强度、塑性、韧性等强度指标有必然的联系，因此，对于承压类特种设备，适时关注其制造材料的微观组织的变化，对于保障设备安全运行具有重要意义。金相检验是观察诊断金属材料微观组织最常用的一种检验方法，TSG G7002—2015《锅炉定期检验规则》要求对过热器、再热器集箱和集汽集箱、过热器和再热器管、锅炉范围内管道和主要连接管道以及有关阀门等部位进行金相抽查，而TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》在材料分析相关章节也要求对设备进行金相分析。通过大量检验实践，结合其他检测方法，可以得知金相检验可以在设备检验的各个环节起到重要作用。

1 金相检验的基本原理

金相检验是利用光学或者电子显微技术，窥探金属材料的组成相、组织组成物以及微观缺陷的数量、大小、形态及分布，从而诊断所檢验金属材料的质量，通常包括金属显微观察技术和摄像技术2种形式。金相检验可以检测出常规无损检测无法检测的缺陷，例如晶间腐蚀等。其检验过程包括金相点的选取、金相组织的粗磨、金相组织的细磨、金相组织的抛光与浸蚀、金相组织的观察、金相组织老化评定等六个步骤。对于承压类特种设备而言，每个步骤都要符合相关法规的要求。对于金相点的选取，在实际检验过程中，一般在设备缺陷处、温度最高处、大应力位置、硬度反常区域以及设备变形严重的部位进行检验。金相组织的粗磨，采用电动角向砂轮机，选择80号砂轮片或180号砂轮盘，打磨的时候应严格控制打磨深度，过深会影响设备安全，而过浅则无法将表面脱碳层清除，影响检验结论。金相组织的细磨主要控制的是粒度标号，有180、320、480、600、800、1 000 等几种选择，抛磨时，要注意每道细磨完成以后要进行转角90°，以消除划痕，保证被检测点光滑平整。金相组织的抛光与浸蚀，现场金相检验时，主要采用的是机械抛光和化学抛光2种方法，而浸蚀化学浸蚀剂为4% 的硝酸酒精，使珠光体发黑增加珠光体区域的衬度，以显示铁素体晶界。金相组织的观察，倍率选择为从低到高，同一检测点，视场面不少于3个，必要时可以采用金相复型技术。金相组织老化评定，对于珠光体钢最明显的特征是碳化物析出粒子的粗化和珠光体球化。对于非珠光体材料可采用综合考虑晶粒和晶界区域不同变化状况的方法进行老化评级。

2 现场金相在承压类设备检验中的主要作用

现场金相检验是指利用便携式金相检验设备，在检验现场对设备或材料进行取样、制样、观察，以了解所检测工件的组织形貌、缺陷形态的一种无损检验方法。在锅炉和压力容器现场检验中，其主要作用有3个方面。

2.1 甄别材料是否错用以及判断材料供货状态符合法规标准

国家相关法规标准对于承压类特种设备的制造材料的供货状态都进行了相关规定，例如GB713《锅炉和压力容器用钢板》标准要求12Cr1MoVR的供货为正火加回火，GB150《压力容器》中，对于Q345R材料的供货状态，根据厚度不同，供货状态也分为热轧、控扎、正火等不同的状态。只有采用标准规定的供货状态制造的特种设备，才能符合安全需要。在实际检验过程中，经常发现材料错用的情况，例如在对饱和塔的进行制造监督检验过程中发现，该压力容器设计图纸中，封头的材料为1Cr18Ni9Ti，由于其对晶间腐蚀较为敏感，特要求材料供货状态要求为固溶，其金相组织应为单一的奥氏体，但是通过现场金相检验， 母材组织为奥氏体+铁素体+碳化物的复相组织，说明供货状态有问题，经过沟通，对制造单位下达了检验意见通知书，更换了合格供货状态的材料，避免了问题设备流入市场。

2.2 了解设备材质的组织变化情况

材质的组织变化包括材质裂化脱碳、过烧、球化、及石墨化等形式，对于承压类特种设备，这些材质裂化形式都会对材料的强度、塑性、韧性等影响设备安全的属性造成重大影响。例如《承压设备损伤模式识别》中，石墨化严重的材料的强度降低值最高可达40%。因此，在实际检验中，利用金相检验对材料的微观组织进行检验，可以最大程度地预防事故的发生。图1 为某电站锅炉定期检验中，其炉管组织严重球化的金相照片，炉管材质为12Cr1MoV。图2 为某化工厂电站锅炉主蒸汽管材质产生劣化并胀粗的金相组织照片。主汽管材质为20G。由图2 可以看出，其金相组织有明显的石墨化现象，石墨聚集成块，石墨块较大，且具有连续性，石墨化等级可评为3 级，在检验过程中，如果发现此类石墨化严重的设备，就应引起重视，要求使用单位采取措施，杜绝事故的发生。

电站锅炉等特种设备由于其高温、高压等使用工况，其阀门阀体材料在服役过程中，由于蠕变、珠光体球化和石墨化等因素的影响，会导致组织劣化，从而导致强度、硬度等性能下降，极端情况下甚至会造成阀门阀体的失效，因此对在役阀门的现场金相检验很有必要，对使用温度高，开关频繁及发生异常的阀门，应重点检查。TSG G7002—2015规定对工作温度大于或者等于450℃的阀门阀体进行硬度和金相检测抽查。对在役阀门阀体的现场金相检验方法可参照其他设备的现场金相检验方法，对阀门阀体的金相组织结果分析时应考虑一般大口径阀门阀体材质一般多为铸造成型，其晶粒度等金相组织特征与一般集箱、管道金相组织的区别。

2.3 了解焊缝组织情况，评价焊缝成型质量和焊接工艺执行情况

焊接工作是承压类特种设备的主要工作，在某些设备中，焊接占总工作量的比重最高可达30%。焊接接头质量的好坏，直接关系到设备的使用寿命和安全。焊接接头质量一般通过四大常规无损检测方法来控制，但是这些无损检测方法无法检验焊缝的微观组织，例如是否存在魏氏体，晶粒是否异常等。通过金相检验，可以更深入地了解焊缝成型质量以及焊工对焊接工艺的执行情况。

2.4 结合硬度检测判别材质种类

TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中，8.3.8条，材料分析根据具体情况，可以采用化学分析、光谱分析、硬度检测、金相分析等方法。在实际检验过程中，例如当材质不明时，结合硬度检测能初步判断材质所属范围。图3 为一锅炉主蒸汽管金相组织照片，其珠光体含量在25% 左右，且硬度小于156HB，即可初步确定其材质为含碳量在0.2%左右的低碳钢。

3 结语

金相检验是锅炉压力容器检验中的一种重要检验方法，具有对设备无损伤、直接在现场取样、设备简单轻便等优越性。了解其检验原理，在检验中多加实践，结合其他检验方法，有着更为广泛的运用。

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