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。

    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].