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                    现场金相分析技术应用于海上锅炉检验

                    2021-05-22 12:00:00
                    现场金相分析技术应用于海上锅炉检验
                    详细介绍:

                        现场金相分析技术应用于海上锅炉检验

                        刘万超,高尚磊,周士刚,刘元福 

                        (中海石油技术检测有限公司,天津 300452)

                        

                        摘 要:锅炉是海上油气开采过程中的重要设备,使用过程中需承受较高的温度,长期运行易引起材质劣化。利用便携式金相分析仪可以直接在材料上进行取样、观察并拍摄金相组织照片,通过对材质的组织结构进行分析,判断其劣化程度,为锅炉的安全状况评定提供依据。

                        关键词:金相分析;锅炉

                        

                        前言

                        海上锅炉主要存在四种形式:有机热载体锅炉、余热锅炉、热水锅炉和蒸汽锅炉,无论哪一种形式的锅炉,其使用过程中都必然要承受高温环境,长时间运行将会产生珠光体球化等材质劣化现象。因而有必要对其金相组织进行分析, 以判断其材质劣化程度。

                        1金相分析的基本原理

                        我们知道,材料的力学性能特征除了与材料的化学成份有关外,还受到其组织结构的影响。金属材料长期在高温、应力状态下服役将引起其碳化物相的改变,即其组织结构的改变,这一改变主要体现在以下三个方面:

                        (1)组织形态改变,如珠光体球化;

                        (2)相成分改变,这主要与合金元素的迁移有关;

                        (3)相结构改变,即材料在使用过程中,碳化物结构发生变化,如由体心立方结构转变为面心立方结构或其他形式。

                        金相分析就是通过对材料进行打磨、抛光、浸蚀等过程,使其微观组织结构通过显微镜显现出来,判断其组织结构改变的状况。

                        2现场金相的技术特点

                        

                        现场金相分析利用便携式金相分析仪对材料的组织结构进行观察、分析,省却了试样切割、镶嵌等传统过程,具有以下特点:

                        (1)检验时一般不会破坏被检元件。现场金相无须切割材料制取试样,而是直接在元件上选取位置打磨、浸蚀, 然后观察材质的组织形貌特征,通常不会对元件形成破坏;

                        (2)便携式仪器体积小,携带、使用方便;

                        (3)检验位置不受限制。便携式金相分析仪通常带有磁性底座,可以快速地固定于元件表面,并可多方向调节,可以在焊缝、热影响区、炉胆、盘管等多处位置取点。

                        3实例应用

                        3.1锅炉概况

                        渤海海域某油田的锅炉自投产以来已经服役 20 多年, 期间经过多次维修,设备老化严重。锅炉的基本信息如下:

                        锅炉类型:蒸汽锅炉(波形炉胆) 设计压力:10kg/cm2

                        工作压力:8kg/cm2 蒸汽温度:174.5℃ 燃料:天然气

                        3.2取样点的选取

                        锅炉金相分析取样点的选取通常遵循以下原则进行:

                        (1)受热温度较高部位,以确定材质是否存在球化、石墨化、过烧等现象;

                        (2)表面有变形部位(如起鼓),以分析产生变形的原因;

                        (3)焊缝及热影响区,以观察是否产生马氏体而使淬硬性增强;

                        (4)硬度值出现异常部位,以检查该处组织是否产生淬硬性组织。

                        基于以上原则的考虑,本项目在锅炉波形炉胆的不同部位取样。

                        3.3现场金相制作

                        现场金相制作通常需经过表面打磨、抛光、浸蚀这三个步骤,如果取样位置不适宜固定金相分析仪还可以进行覆膜实验。下面主要介绍常用的三个步骤。

                        3.3.1打磨

                        首先将取样位置附近的浮绣等杂质清洁干净,用砂纸磨出一个直径约 2cm 的小平面,砂纸由粗到细依序更换,每次更换时应确保砂纸和试样表面的清洁,避免磨屑等杂质对前一道工序产生破坏,打磨至试样表面出现镜面光泽为止。打磨时应注意控制转动机构的转速,转速过快会在试样表面形成过热组织,干扰对原组织的判断。

                        3.3.2抛光

                        试样的抛光分为电解抛光和机械抛光。

                        (1)电解抛光

                        将电解抛光机的正极连接至检验点附近的工件上,用滴管吸取少量电解液滴入抛光机负极的试管内,开通电源,调节电压在(30-60)伏特之间,控制电解时间在(15-60)秒之间。电解抛光结束后先将负极移开试样,接着关掉电源,然后迅速用镊子夹着脱脂棉蘸取酒精将试样表面擦拭干净。

                        (2)机械抛光

                        将机械抛光用绒布黏贴在抛光机转盘上,挤少量研磨膏至试样表面。开启电源进行机械抛光。抛光时应注意控制绒布与试样水平缓慢接触,施加重力不宜过重,抛光时间不应过长,同时应控制抛光盘转速不宜过快,避免过热而引起试样组织变化。抛光结束后用酒精将试样表面擦拭干净并用电吹风吹干。

                        3.3.3浸蚀

                        低碳钢、低合金钢一般用硝酸酒精溶液进行浸蚀。用镊子夹着脱脂棉蘸取浸蚀液轻轻揩拭试样磨面,光亮的磨面逐渐失去金属光泽,变成银白色或淡黄色,当变成灰黑色时立即用酒精清洗试样表面并用电吹风吹干。浸蚀后的试样应保持清洁,不能再用棉花擦拭或用手触摸,更不能与其他物体接触。浸蚀过程可由浅入深,即先轻微浸蚀,然后用显微镜观察,若不能清晰显示金相组织,可不经抛光再次进行浸蚀; 但如果浸蚀过度,则必须重新抛光。

                        3.4观察及组织分析

                        关于放大倍数的选取,如无特别要求,应从较低至较高倍数逐级更换物镜或目镜,调整放大倍数。

                        观察前先安装物镜,然后将便携式显微镜固定到试样表面上,接着安装目镜,接通电源,调节光源亮度以便于观察, 然后调节显微镜聚焦位置,可通过显微镜上的旋钮进行上下左右四个方向调节,使焦点落在试样的浸蚀范围内,调节焦距,边调节边观察,至视野中出现清晰的金相组织为止。调节焦距时应注意避免过度而使物镜与试样表面接触。

                        出现清晰的金相组织后,固定焦距不变,换下目镜,安装上数码相机,调节数码相机焦距,使屏幕出现清晰、大小适当的金相组织,慢慢按下拍摄键,拍取金相组织的数码照片以便进行分析。

                        本项目中拍摄的金相组织照片如图 1 和图 2 所示。

                        经过观察可以看出,该炉胆金相组织以铁素体和珠光体为主,珠光体有球化现象,参考DL/T 674《火电厂用 20 号钢珠光体球化评级标准》,评定其球化等级为 4.5-5 级,属于严重球化。

                        金相磨抛机

                        

                        4结论

                        现场金相分析技术具有方便、快捷、不破坏元件使用性能的特点,能够直观、准确地反映出材质的组织形貌特征,在海上锅炉检验中有着不可替代的作用,其分析结果为锅炉的安全状况评估提供重要依据。

                        [1]韩德伟, 张建新. 金相试样制备与显示技术[M]. 中南大学出版社, 2005.

                        [2]GB/T 13298-1991 金属显微组织检验方法[S].

                        [3]DL/T 674-1999 火电厂用 20 号钢珠光体球化评级标准[S].

                        DL/T 884-2004 火电厂金相检验与评定技术导则[S].

                        

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