压力容器材料元素分析

6.2.2压力容器材料元素分析•1.材料元素分析目的与方法•通常以下几种情况需要对压力容器材料进行元素分析：•（1）压力容器制造中的材料复验：为防止重要压力容器的材料用错，或对材料的牌号有疑问时,对材料牌号进行的验证性分析；•（2）在用压力容器主体材料不明，检验中欲查清材料种类或了解某些特性，评价其合用性和安全性，对材料的元素种类和的含量进行分析。•（3）在用压力容器修理需要补焊，查明材料的成分，以便选用合适的焊材和焊接工艺。•（4）在用压力容器检验中，怀疑材料在运行环境下其内表层成分发生变化，例如脱碳、增碳等，需要分析内表层化学成分，以便与正常成份比较，确定是否发生损伤。•（5）在用压力容器检验中，有时需要对腐蚀产物进行分析，以确定腐蚀的性质、原因、发展速率，以及对压力容器运行安全的影响。•以上前三种是宏观材料材料元素分析，后两种是微区和微量物质的元素分析•钢铁材料元素分析的常用方法有原子发射光谱分析法和化学分析法两种。此外，可用于微区和微量物质的元素分析方法还有扫描电镜、电子探针、离子探针、俄歇能谱仪等。本节重点介绍光谱分析法和化学分析法。2.原子发射光谱分析法•目前用于原子发射光谱分析的仪器有三类，一类是看谱分析，使用的仪器是看谱镜，一般用于材料中某项合金元素有无的鉴别；另一类是光电式光谱分析，使用的仪器是数字式光谱分析仪，可进行材料成份的定性定量分析；第三种是荧光光谱分析，也可进行材料成份的定性定量分析。•原子发射光谱分析法原理：利用电弧（或X射线或γ射线）激发被分析物质的原子，处于激发态的原子的核外电子会发生跃迁而发光，不同的元素的原子结构不同，核外的能级轨道和电子数也不相同，在受外来能源激发后，各自电子发生跃迁的轨道及轨道间的能级差不同，发射的光子波长也就不同，所以各种元素在一定条件下，都具有自身特征的线状谱（也称标识谱）。因此，根据被分析物质所发射光谱的谱线构成和强度，就可以鉴别出该物质所包含的原子种类和数量。（1）看谱分析•看谱分析利用的是可见光范围特征谱，波长大致为390～700nm（纳米）。其优点如下：•①应用范围广：对钢、铁、铜、铝及其合金等各种金属材料都能进行分析；•②灵敏度度高：对大多数元素来说，只要有极少的含量（0.1-10ppm）就可以发现该元素的存在；•③不需取样，用便携式看谱镜可以到现场进行分析操作；•④不损坏被分析试样，可直接在压力容器半成品或成品上进行检测；•⑤分析费用低，看谱分析不需要大量的贵重化学试剂和其它辅助材料，且整个分析过程，不需要特殊条件。•⑥最适用于根据某一元素鉴别材料种类的工作，检测速度很快。其缺点如下：•①分析有局限性：只能鉴定材料中是否含有特定的某一两种元素，无法对材料中全部元素进行检测分析；•②只能鉴定金属元素，不能检测非金属元素；•③分析结果受环境条件、操作技术、人眼睛感光灵敏度等因素的影响大；•④不能定量分析。只能就某一元素与标准试样比对含量高低，且准确性不高；•⑤对仪器调节操作有一定要求，必须由熟练人员操作。（2）光电式光谱分析•光电式光谱分析是建立在电脑技术和数字电子技术基础上的先进分析方法。光电式光谱分析仪采用全谱设计，通过PDA或CCD光学元件制作阵列检测器，一次激发即可获得全部元素的谱线信息，检测利用紫外-蓝紫光谱范围，波长大致为170～560nm（纳米）。光信号通过分光、色散、光电转换，变为电信号送入计算机，处理后自动给出被检试样各项元素的含量。除了价格较高外，光电式光谱分析仪几乎囊括了看谱镜的所有优点，改进了看谱镜的所有缺点，比看谱镜更多的优点列举如下：•①由于仪器采用全谱设计，可获得被分析物质的全部元素的谱线信息，因此能分析各种金属材料，包括钢及铝、钛、镍等数十种合金中的全部元素；•②由于光学系统有效波长包括了紫外范围，所以能检测非金属元素碳、硫、磷等；•③采用电脑控制检测分析全过程，自动化程度高，检测结果基本不受环境条件、操作技术等因素的影响；•④定量分析具有较高的精度。由于被分析物质激发的谱线由专用软件进行分析，保证每一种元素的每一次分析都采用最佳分析线和最佳参考线，且软件可自动消除谱线漂移的影响，从而获得高精度，例如碳元素分析在0.04%时具有0.001%的精度，硫元素分析在0.04%时具有0.003%的精度；•⑤操作简单方便，每次检测前无须对仪器进行调校；检测速度极快（10秒-30秒内完成）；•⑥仪器电脑可存储相当数量的各种元素的谱线构成，可配置多种定量分析模式软件和牌号分级、混料识别模式软件，（数十种定量分析模式，每一种模式十几种元素），进一步简化操作，提高工作效率；•⑦电脑可内存几千个测试结果，可打印或输出存储；（3）荧光光谱分析•荧光光谱分析用X射线或γ射线来激发被分析物质的原子发出荧光X射线，通过识别荧光光谱来鉴别元素种类和数量。由于射线剂量很小，能量也低，对人体没有什么伤害。仪器体积小，重量轻，操作比光谱分析仪更简单方便，对工件形状和表面要求不高。缺点是只能分析原子序数大于钛的元素，因此碳、硅、硫、磷等元素均无法识别。3.化学分析•化学分析能十分精确地分析出材料中元素含量。缺点是速度较光谱分析法慢。•化学分析法在试验室进行。在用压力容器化学分析需要取样。•材料牌号鉴别的分析试样采集，应注意对取样部位彻底清理，去除残留介质、油污，磨去表面涂料层、氧化层和锈蚀层，最好用适当的工具（例如砂轮）薄薄地去掉表层，以保证分析结果的准确性。取样方法可采用钻取法:用钻头钻一排浅孔，深度一般不超过2~3mm。所采取的金属屑量视所分析的元素而异，通常测定碳含量至少需3~7g。测定锰含量至少需要0.25~0.5g，如果钢材的含锰量高于2.5%，还要适当增加。测定硅含量至少需要0.5~4.0g。测定硫含量需要10g，并且要制备2份。测定磷含量最少需要1g，也需要制备2份。碳素钢一般如需测定以上5种元素，共需试样量20g左右。如果分析的元素增加，试样量也要随之增加。采集的金属屑要仔细地装入干净的纸袋内将口封好，并在袋上注明取样部位或试样的编号。•材料性能劣化鉴定的分析试样采集，应选择最能反映问题的部位，如允许最好切割取样，如不允许破坏工件，则只有钻取或刮取表层物质，收集碎屑送检。•腐蚀性质原因鉴别的试样采集，如允许最好切割取样，可同时进行腐蚀产物分析和腐蚀部位形态扫描；如不允许破坏工件，则只需刮取少量物质即可。•化学分析方法有比色（光度）法、滴定法、重量法、萃取法、燃烧法、气体容量法、电导法、红外线吸收法等等，方法很多，详见《机械工程材料测试手册.化学卷》。常规元素化学分析方法、适用范围、测定范围和执行标准如下：（1）碳、硫元素分析。在实际工作中碳、硫元素分析常用碳硫联合测定仪进行测量。一次能将碳硫两元素同时测出。对不同测定范围应用不同的测定方法和标准。其中管式炉内燃烧后气体容量法测定碳含量的测定范围：0.10%---2.00%，管式炉内燃烧后重量法测定碳含量的测定范围：0.10%---5.00%，采用还原蒸馏-次甲基蓝光度法测定硫量的测定范围：0.001%---0.030%；管式炉内燃烧后碘酸钾滴定法测定硫含量的测定范围：0.003%---0.200%•（2）锰、硅、磷元素分析。在实际工作中，采用仪器对碳钢和低合金钢进行分析时，一般锰硅磷三元素同时分析出结果。对不同测定范围应用不同的测定方法。•对锰元素，采用硝酸铵氧化容量法测定锰量的测定范围：2.00%---30.00%；亚砷酸钠-亚硝酸钠滴定法测定锰量的测定范围：0.10%---2.50%；高碘酸钠（钾）光度法测定锰量的定范围：0.010%---2.00%。•对硅元素，采用还原型硅钼酸盐光度法测定酸溶硅含量的定范围：0.030%---1.00%；高氯酸脱水重量法测定硅含量的定范围：0.10%---6.00%。•对磷元素，采用磷钼酸铵容量法测定磷量的定范围：0.01%---1.0%；乙酸丁酯萃取光度法测定磷量的定范围：0.001%---0.05%。•（3）铬元素分析方法和测定范围：过硫酸铵氧化容量法测定铬量的测定范围：0.100%---30.00%；碳酸钠分离——二苯碳酰二肼光度法测定铬量的测定范围：0.005%---0.500%•（4）镍元素分析方法和测定范围：丁二酮肟分光光度法测定镍量的测定范围：0.030%---2.00%；萃取分离-丁二酮肟分光光度法测定镍量测定范围：0.010%---0.500%；丁二酮肟重量法测定镍量的测定范围：2%以上•（5）钼元素分析方法和测定范围：硫氰酸盐直接光度法测定钼量的测定范围：0.10%---2.00%；硫氰酸盐——乙酸丁酯萃取分光光度法测定钼的测定范围：0.0025%---0.20%。α-安息香肟重量法测定钼量的测定范围：1.00%---9.00%。•（6）钒元素分析方法和测定范围：硫酸亚铁铵滴定法测定钒含量的测定范围：0.100%---3.50%；钽试剂萃取光度法测定钒含量的测定范围：0.010%---0.50%。•（7）钛元素分析方法和测定范围：重量法测定钛的测定范围：1.0%以上；变色酸光度法测定钛量的测定范围：0.010%---2.50%；二安替比林甲烷光度法测定钛量的测定范围：0.010%---2.40%6.2.3金相检验•1.金相检验目的•金相检验是通过观察到金属材料微观金相组织来对材料进行检验的，其应用目的主要有：•（1）判断不明材料类别；•（2）检验材料质量和热处理状态；•（3）检查焊接质量，例如是否有淬硬的马氏体、过热的魏氏组织；•（4）检验热处理效果；•（5）检测材料晶粒度；•（6）检测材料中的微观缺陷，如晶间裂纹、疏松、过烧等；•（7）检查长期高温环境下可能发生的材质劣化，例如珠光体球化、石墨化；•（8）腐蚀环境下可能产生的晶间腐蚀或应力腐蚀裂纹；•（9）高温高压临氢环境下的氢损伤，例如脱碳，氢腐蚀裂纹；•（10）在用压力容器的断口金相检验，可以帮助判定腐蚀或断裂的类型，分析容器失效的原因。2.金相检验的方法•金相检验。要检验目的不同，检验内容和方法也不同。•（1）宏观检验•宏观检验也称低倍检验，是指用目视或20倍以下的放大镜检查八属宏观组织和缺陷，•(1)宏观检验•宏观检验也称低倍检查，是指用目视或者借助20倍以下的放大镜来检查金属宏观组织和缺陷，这种操作方便、直观、不需要特殊设备的检验技术，应用广泛。••宏观检验方法有很多，一般有硫印试验、酸蚀试验、断口检验等。各种方法都有其各自的特点和适用的范围，如酸蚀试验适用于疏松、气泡、缩孔、偏析、非金属夹杂物、裂纹等;断口检验最容易发现白点、过热、过烧等;硫印试验用来检测钢链和钢材中硫的分布，同时也可间接地对其他元素的分布进行推测和估计。各种宏观检验方法各有侧重，可以根据检验的需要选用一种或几种方法以达到准确测定的目的。•金相试样的制备过程:首先根据检验的目的选择有代表性的检验点，在检验部位按照粗磨、细磨、抛光的顺序，用砂轮磨平金属表面，从粗到细不同号的金相砂纸或研磨膏打磨金属磨面减轻磨痕深度;用抛光液或抛光膏消除细微痕迹将磨面抛光成镜面;根据不同钢种，采用合适的试剂对观测面进行浸蚀，从而使得金相组织得以显露清楚。•压力容器的现场金相检验需要采用便携式仪器，包括手提式微型电动抛光器、电解抛光（浸蚀）装置及小的磨光砂轮、可在容器上安放的便携式显微镜等。早期的金相除了直接观察外，还可以采用间接观察方法，即复膜金相来进行检验，通常采用醋酸纤维素膜（即AC纸）制做复型，观察的效果直接取决于复型的好坏，而复型效果在很大程度上又取决于检验点的制样水平，这种观察方法优于直接观察法的地方是观察条件好、观察时间、人员不受限制，可用透射电子显微镜观察并且可以拍摄金相检验照片存档。目前更先进的方法是便携式显微镜与数码相机配合使用，图像存储、复制、观察都比较方便。3.压力容器用钢板金相组织及特点•奧氏体、铁素体、－－－4、在用压力容器材料金相组织常见缺陷•1、球化、•2古墨化6.2.4应力应变测试•1、概述•压力容器的应力分析通常采用两种方法，一种是通过理论分析方法，运用材料力学和弹性理论求得应力的