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    河南金相檢測技術有限公司

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    現場金相分析技術應用于海上鍋爐檢驗

    2021-05-22 12:00:00
    現場金相分析技術應用于海上鍋爐檢驗
    詳細介紹:

        現場金相分析技術應用于海上鍋爐檢驗

        劉萬超,高尚磊,周士剛,劉元福 

        (中海石油技術檢測有限公司,天津 300452)

        

        摘 要:鍋爐是海上油氣開采過程中的重要設備,使用過程中需承受較高的溫度,長期運行易引起材質劣化。利用便攜式金相分析儀可以直接在材料上進行取樣、觀察并拍攝金相組織照片,通過對材質的組織結構進行分析,判斷其劣化程度,為鍋爐的安全狀況評定提供依據。

        關鍵詞:金相分析;鍋爐

        

        前言

        海上鍋爐主要存在四種形式:有機熱載體鍋爐、余熱鍋爐、熱水鍋爐和蒸汽鍋爐,無論哪一種形式的鍋爐,其使用過程中都必然要承受高溫環境,長時間運行將會產生珠光體球化等材質劣化現象。因而有必要對其金相組織進行分析, 以判斷其材質劣化程度。

        1金相分析的基本原理

        我們知道,材料的力學性能特征除了與材料的化學成份有關外,還受到其組織結構的影響。金屬材料長期在高溫、應力狀態下服役將引起其碳化物相的改變,即其組織結構的改變,這一改變主要體現在以下三個方面:

        (1)組織形態改變,如珠光體球化;

        (2)相成分改變,這主要與合金元素的遷移有關;

        (3)相結構改變,即材料在使用過程中,碳化物結構發生變化,如由體心立方結構轉變為面心立方結構或其他形式。

        金相分析就是通過對材料進行打磨、拋光、浸蝕等過程,使其微觀組織結構通過顯微鏡顯現出來,判斷其組織結構改變的狀況。

        2現場金相的技術特點

        

        現場金相分析利用便攜式金相分析儀對材料的組織結構進行觀察、分析,省卻了試樣切割、鑲嵌等傳統過程,具有以下特點:

        (1)檢驗時一般不會破壞被檢元件?,F場金相無須切割材料制取試樣,而是直接在元件上選取位置打磨、浸蝕, 然后觀察材質的組織形貌特征,通常不會對元件形成破壞;

        (2)便攜式儀器體積小,攜帶、使用方便;

        (3)檢驗位置不受限制。便攜式金相分析儀通常帶有磁性底座,可以快速地固定于元件表面,并可多方向調節,可以在焊縫、熱影響區、爐膽、盤管等多處位置取點。

        3實例應用

        3.1鍋爐概況

        渤海海域某油田的鍋爐自投產以來已經服役 20 多年, 期間經過多次維修,設備老化嚴重。鍋爐的基本信息如下:

        鍋爐類型:蒸汽鍋爐(波形爐膽) 設計壓力:10kg/cm2

        工作壓力:8kg/cm2 蒸汽溫度:174.5℃ 燃料:天然氣

        3.2取樣點的選取

        鍋爐金相分析取樣點的選取通常遵循以下原則進行:

        (1)受熱溫度較高部位,以確定材質是否存在球化、石墨化、過燒等現象;

        (2)表面有變形部位(如起鼓),以分析產生變形的原因;

        (3)焊縫及熱影響區,以觀察是否產生馬氏體而使淬硬性增強;

        (4)硬度值出現異常部位,以檢查該處組織是否產生淬硬性組織。

        基于以上原則的考慮,本項目在鍋爐波形爐膽的不同部位取樣。

        3.3現場金相制作

        現場金相制作通常需經過表面打磨、拋光、浸蝕這三個步驟,如果取樣位置不適宜固定金相分析儀還可以進行覆膜實驗。下面主要介紹常用的三個步驟。

        3.3.1打磨

        首先將取樣位置附近的浮繡等雜質清潔干凈,用砂紙磨出一個直徑約 2cm 的小平面,砂紙由粗到細依序更換,每次更換時應確保砂紙和試樣表面的清潔,避免磨屑等雜質對前一道工序產生破壞,打磨至試樣表面出現鏡面光澤為止。打磨時應注意控制轉動機構的轉速,轉速過快會在試樣表面形成過熱組織,干擾對原組織的判斷。

        3.3.2拋光

        試樣的拋光分為電解拋光和機械拋光。

        (1)電解拋光

        將電解拋光機的正極連接至檢驗點附近的工件上,用滴管吸取少量電解液滴入拋光機負極的試管內,開通電源,調節電壓在(30-60)伏特之間,控制電解時間在(15-60)秒之間。電解拋光結束后先將負極移開試樣,接著關掉電源,然后迅速用鑷子夾著脫脂棉蘸取酒精將試樣表面擦拭干凈。

        (2)機械拋光

        將機械拋光用絨布黏貼在拋光機轉盤上,擠少量研磨膏至試樣表面。開啟電源進行機械拋光。拋光時應注意控制絨布與試樣水平緩慢接觸,施加重力不宜過重,拋光時間不應過長,同時應控制拋光盤轉速不宜過快,避免過熱而引起試樣組織變化。拋光結束后用酒精將試樣表面擦拭干凈并用電吹風吹干。

        3.3.3浸蝕

        低碳鋼、低合金鋼一般用硝酸酒精溶液進行浸蝕。用鑷子夾著脫脂棉蘸取浸蝕液輕輕揩拭試樣磨面,光亮的磨面逐漸失去金屬光澤,變成銀白色或淡黃色,當變成灰黑色時立即用酒精清洗試樣表面并用電吹風吹干。浸蝕后的試樣應保持清潔,不能再用棉花擦拭或用手觸摸,更不能與其他物體接觸。浸蝕過程可由淺入深,即先輕微浸蝕,然后用顯微鏡觀察,若不能清晰顯示金相組織,可不經拋光再次進行浸蝕; 但如果浸蝕過度,則必須重新拋光。

        3.4觀察及組織分析

        關于放大倍數的選取,如無特別要求,應從較低至較高倍數逐級更換物鏡或目鏡,調整放大倍數。

        觀察前先安裝物鏡,然后將便攜式顯微鏡固定到試樣表面上,接著安裝目鏡,接通電源,調節光源亮度以便于觀察, 然后調節顯微鏡聚焦位置,可通過顯微鏡上的旋鈕進行上下左右四個方向調節,使焦點落在試樣的浸蝕范圍內,調節焦距,邊調節邊觀察,至視野中出現清晰的金相組織為止。調節焦距時應注意避免過度而使物鏡與試樣表面接觸。

        出現清晰的金相組織后,固定焦距不變,換下目鏡,安裝上數碼相機,調節數碼相機焦距,使屏幕出現清晰、大小適當的金相組織,慢慢按下拍攝鍵,拍取金相組織的數碼照片以便進行分析。

        本項目中拍攝的金相組織照片如圖 1 和圖 2 所示。

        經過觀察可以看出,該爐膽金相組織以鐵素體和珠光體為主,珠光體有球化現象,參考DL/T 674《火電廠用 20 號鋼珠光體球化評級標準》,評定其球化等級為 4.5-5 級,屬于嚴重球化。

        金相磨拋機

        

        4結論

        現場金相分析技術具有方便、快捷、不破壞元件使用性能的特點,能夠直觀、準確地反映出材質的組織形貌特征,在海上鍋爐檢驗中有著不可替代的作用,其分析結果為鍋爐的安全狀況評估提供重要依據。

        [1]韓德偉, 張建新. 金相試樣制備與顯示技術[M]. 中南大學出版社, 2005.

        [2]GB/T 13298-1991 金屬顯微組織檢驗方法[S].

        [3]DL/T 674-1999 火電廠用 20 號鋼珠光體球化評級標準[S].

        DL/T 884-2004 火電廠金相檢驗與評定技術導則[S].

        

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