金属材料在特种设备中的应用

金属材料在特种设备中的应用

杨健 赵静雅

乌兰察布市特种设备检验所 内蒙古乌兰察布市 012000

摘要：金属材料具有高精度、高质量的特点，其有效促进金属行业的发展和创新，作为金属焊接的关键影响因素之一其作用显著。金属焊接材料的质量由超声无损检测技术影响，且在金属材料焊接过程中具有较高的安全性。

关键词：金相检验；承压类；特种设备；

在工业生产中，特种设备的应用及其广泛。但特种设备经常运行在高温、高压等恶劣环境下，极容易出现安全事故。因此，在工业设备检验中，要提高特种设备检验标准。只有这样才能严把特种设备的检验关，减少安全事故发生率。

一、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几种，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。

二、现场金相检验在承压类特种设备检验中的应用

一般情况现场金相检验在承压特种设备检验中的应用主要体现在原材料检验、产品制造工艺检验、在用设备材质检验三个方面。

1.原材料检验。在原材料的检验中，应用现场金相实验可以更加详细地检查材料的组织状态、种类等。而后按照设计标准，对比检验结果就能够迅速确定原材料的材质、品质。这样能有效减少不良原材料的流入，降低承压类特种设备员产品的不合格率。以锅炉厂承压类特种设备为例，在检验新购炉管是否为有缝管时就可采用现场金相检验方法。具体操作是检验人员应先可随机截取一段钢管为样品进行金相实验。而后对钢管的横截面进行研磨。在研磨过程中，可根据实际需求灵活选择角磨机、砂质、金相砂质等磨制工具。完成磨制后，可选择硝酸酒精为侵蚀剂，浓度4％为最佳。然后再利用显微镜观察横截面的组织状态。在观察时，可选择正常的母材组织为对照材料。这样更能精确评估炉管质量状态。如果出现如图1的组织状态，便可认定该炉管不存在缝隙。

图1 裂纹断口状态

如果其中出现未回火马氏体，则表明其存在缝隙。最后，完成所有的检验之后，就可出现关书面报告，详细描述出检验结果和样品质量。另外，通过现场金相检验还可检查铸造材料、锻造件的内部组织状态，从而判定是否具有气孔、疏松、过热、变形等情况。比如说锻造件的过热现象。当钢被加热到过热温度以上后再进行冷却时便会产生过热现象。大部分钢材的过热温度约为1350±50℃，其具体表现就是钢的塑性、韧性会比较差。换言之，也就是会出现较粗大的贝氏体或魏氏体组织。解决这一问题的主要措施采用正常的火继续加热。需要注意的是一旦钢被加热到超过过热温度的温度，钢晶粒就会继续长大，同时晶粒边界就会变得模糊，氧气进入后就会使钢氧化。结果就是晶粒之间的结合力被破坏，钢失去塑性和强度。这个现象可称之为过烧。这种钢只能报废。在显微镜下观察时会发现过烧状态下，钢内部组织会只剩下魏氏组织和黑色氧化物。但是一般情况下，在原材料的金相检验中不会出现这种现象。

2. 产品制造和安装检验。通常承压类设备的制造、安装需要技术部门监督、检验。除却外观检查、无损检查、规格检查外，最重要的便是现场金相检验。它不仅可以详细检验承压类特种设备的损伤情况，还可全方位地检查设备的热影响区组织、焊缝的状况。这样检验人员就能够根据最终的检验结果来判定设备的制造工艺水平和质量。比如在焊缝检验过程中，发现了马氏体组织，证明该设备的生产工艺不合格。以材质为P91的蒸汽管为例，其金相组织中的板条状马氏体如图2所示。

图2 马氏组织

另外，在热影响组织区域中，若发现了魏氏组织，也能证明该设备生产工艺不达标，需技术人员及时解决这一问题，以降低设备损失率。以电锅炉水冷壁管金相检验为例。在粗磨样品时可选择角磨机，在细磨时可选择120#、240#等批次的砂质进行均匀打磨，抛光时可用棉球先擦拭，后用酒精冲洗。侵蚀时可选择硝酸酒精溶液。同时，为了更好地观察到样品组织状态，可选择XH-500型现场金相显微镜，并根据是合计需求选择合适倍数的物镜、目镜。并利用计算机设备，保存、打印结果图。如果在显微镜下观察到了如图3的组织，则表明其产生了魏氏组织，该设备制造工艺不合格。

图3 魏氏组织

3.在用设备材质检验。随着我国工业的发展，承压类特种设备也在不断改进。现今，合金钢、不锈钢等钢材都被应用到了特种设备的制造当中。但经过长时间高温、高压环境的运行，这类钢材料就会发生形变或者质变，使得特种设备的使用性能、寿命大幅度下降。采用现场金相检验方法就可有效检验承压类特种设备的质量。结合实际不难发现，现场金相检验不仅仅能够发现难以发现的裂纹问题，还可用来检查设备的老化问题。比如高温作用下电站锅炉集箱如果出现球化现象，检验珠光体是否出现脱碳、氢腐蚀裂纹等问题，表明该设备已经出现质量问题。以某企业的加氢处理炉炉管为例，材质是15CrMo，在对其进行检验时，发现炉管多处出现珠光体球化现象。另外，若在检查中发现锅炉受压元件存在石墨化、蠕变、回火脆化等金属组织状态就可判定检测金属已失效。为了保证检验结果的准确性，在锅炉受压元件的制造过程中，检验人员就可利用金相检验对其进行检验，并记录下相关数据，以便为以后的定期检验提供必要的数据参考。以某家炼油厂整炉为例，其炉管材质为TP347，在现场金相检验时发现其炉管融合线两侧出现了晶间腐蚀，另外，伴随着我国计算机技术的发展和成熟，现场金相技术也在不断的进步。如今，在现场金相检验过程中，显微镜下的视图已能够直接显示在计算机中。并且经过专业的分析、处理，还能够以检验材料的基础尺寸信息为基础，分析出材料的使用性能，从而更好地帮助检验人员完成特种设备的评估工作。

总之，现场金相检验技术对于承压类特种的安全运行非常重要。但无论是在原材料的检验过程中，还是在对设备生产工艺、在用设备材质检验的过程中，都应当结合实际需求，按照现场金相检验步骤，一步步地进行承压类特种设备进行检验，并依据最终的现实结果对设备进行分析、评估，从而准确掌握特种设备的质量状态，避免安全事故的发生。在承压类特种设备的检验中，加大现场金相检验的研究力度不仅仅是保障工业生产正常运行的客观需求，更是现代化工业不断发展的必然结果。

参考文献：

[1]刘晓智.浅谈金属材料在特种设备中的应用.2018.

[2]张冰.现场金相检验在承压类特种设备检验中的应用.2019.