光譜分析在壓力管道監(jiān)督檢驗中的應用解讀

1、光譜分析在壓力管道監(jiān)督檢驗中的應用陳松生等壓力管道是工業(yè)生產(chǎn)和城市生活的動脈，擔負著輸送易燃、易爆、有毒、高溫、 高壓等具有較大危險性介質的任務， 與工業(yè)生產(chǎn)和人民的生活息息相關。由于壓 力管道安裝過程中其組成件多而雜及安裝單位人員水平參差不齊等原因，很容 易在安裝過程中錯用材料，這將為壓力管道以后的運行埋下極大的隱患，甚至導致重大事 故，造成巨大損失。因此，保證材料的正確使用是壓力管道安裝監(jiān)督 檢驗的一項重要職責。而光譜分析（PMI）為實現(xiàn)管道材料的現(xiàn)場快速分析提供 了技術保障，能通過定性或定量分析，迅速識別材料牌號或查明材料化學成分， 確保壓力管道安裝階段使用材料的準確性，排除材料誤用而引

2、起的重大事故隱 患。1光譜分析方法的類型和原理光譜分析法是指各種元素在高溫、高能量的激發(fā)下都能產(chǎn)生自己 特有的光譜，根據(jù)元素被激發(fā)后所產(chǎn)生的特征光譜來確定金屬的化學成分及大致 含量的方法。通常借 助于電弧，電火花，激光等外界能源激發(fā)試樣，使被測元 素發(fā)出特征光譜。經(jīng)分光后與化學元素光譜表對照， 做出分析的方法。光譜分析 的方法有很多種，如x射線光譜分析法、原子吸收光譜分析法、紅外吸收光譜 分析法、紫外一可見光譜分析法、分子發(fā)光光譜分析法、激光拉曼光譜分析法和 原子發(fā)射光譜分析法等寧波市特種 設備檢驗檢測中心從芬蘭OXFORD司引進 的型號為X-Met 3000Tx手持式光譜儀和Arc-met

3、8000的便攜式光譜儀其原理分 別屬于x射線吸收光譜分析法和原子發(fā)射光譜分析法。 下面分別介紹x射線吸收 光譜分析法和原子發(fā)射光譜分析法的原理和特點。1. 1 X射線吸收光譜分析法的原理和特點高 速電子撞擊使陽極元素的內層電子激發(fā)，產(chǎn)生 x射線輻射， 當一束從加熱陰極射出且被兩極之間電壓差加速的高能電子流轟擊金屬靶（如 鋁、銅等）的原子時，其能 量被原子吸收，同時該原子的內層（K、L、M等） 電子被逐出，來自外層的電子立即進入逐出電子留下的空穴，并釋放出x射線光子，x射線發(fā)生示意如圖1所 示。假定K層電子被逐出，帶有K層空穴的離子 是不穩(wěn)定的，因此由低結合能的層電子替補進入空穴，則釋放出的x射

4、線頻率為：”5一顯人 式中，El、&分別為L層和K層能級的能量；b為普朗克常量。由于能級的能量很高，相應釋放出的 x射線波長很短，約在 10-3-1nm,而分析工作中最常用的波長范圍約在 7x102-2x10 "nmr工層電子固有X射跳O型網(wǎng)。野于桂圖1固有K射線發(fā)生示意圖與其他電子輻射一樣，X射線也會被物質吸收，其吸收程度由物 質的性質和量決定，且符合比爾定律：Ln （PJP） = px,式中，入射的單色X 射線的強度為R,當它穿過樣品（厚度為xcm）以后的強度為P,林為線性吸收 系數(shù)，它表示每厘米長的給定元素層所吸收的能量分數(shù)。使用廣泛的是質量吸收 系數(shù)pm （cmlg&

5、quot; ） : %二HP式中，p為吸收物質密度。當吸收物質是元素時，與化學和物理狀態(tài)無關，但與波長、原子性質存在以下關系：式中，IV為阿伏伽德羅常量；z為原子系數(shù)；A為相對原子質量：入為波長；c是常數(shù)。質量吸收系數(shù)具有加和性，1個復雜的基質，如化合物、混合物 及合金等，它們含有11個組成元素，則這種基質的質量吸收系數(shù)可用下式表示：a£ （mJ嗎01 式中。為元素i在樣品中的質量分數(shù)。由于x射線被吸收程度與 元素的性質和量有關，因此利用 x射線被吸收程度可以鑒別元素。X-MET 3000Tx手持式光譜儀即采用x射線吸收光譜分析方法，其 特點如下：1 ）采用高精度、高靈敏度、高分辨率

6、的 Si-PIN檢測器，環(huán)境溫度 可以-1050C:2）分析速度快測量精度高，需25s即可識別牌號；3）對試樣表面要求相對較低。僅需去除氧化層即可進行檢測：4）重量輕，便于攜帶，測頭端部的設計可方便地分析測量復雜形狀 試樣。例如：角焊縫、很小的樣品。即使測頭與被試樣有一小段距離也不會影響 分析結果：5）可測量多種基體材料，如低合金鋼、工具鋼、不銹鋼、銅合金 鉆 合金、鋁合金、鈦合金、鍥合金等；6）原子序數(shù)（z）小的元素（如c、S、P等非金屬元素）測量準確 性不高：7）會產(chǎn)生x射線，操作不當會對人體造成一定的傷害，在檢測時 也需要布置相應的防護措施。1. 2原子發(fā)射光譜分析法的原理和特點原子發(fā)射

7、光譜分析法是元素在受到熱或電激發(fā)時，由基態(tài)躍遷到 激發(fā)態(tài)。返回到基態(tài)時，發(fā)射出特征光譜，依據(jù)特征光譜進行定性、定量的分析 方法。其檢測原理如圖2所示。當原子外層電子在高能級 Em和低能級Ek之間躍 遷時，其發(fā)射譜線的強度正比于：（1）兩能級之間的能量差；（2）在高能級日上的粒子總數(shù)N; （3）單位時間內在兩能級間可能的躍遷次數(shù)，其數(shù)值以躍 遷幾率A示。因此，譜線的強度為：5”山向一圖助式中，。為考慮在4n球面角度上發(fā)射各向同性的一個系數(shù)；b 是普朗克常量；c是光在真空中的速度；gm是統(tǒng)計權重；IV是總粒子數(shù)；k是 Boltzmann常量；T是激發(fā)溫度； 入為波長。對所有可能的能級，類似于gm.

8、exp （-Em/KT）的分布?？偤晚椂?義為分布函數(shù)z,則z為：玲+及* *-p(E/kT)+(-E11A 門號圖2發(fā)射光透儀原理圖原子的線光譜是元素的特征。不同的元素具有不同的特征光譜。測量時。適當?shù)剡x擇被測元素的特征譜線作為分析線， 利用元素的這種特征譜線 檢測樣品中該元素的存在（定性分析），以及測定譜線的強度確定該元素的含量（定量分析）。Arc-met 8000的便攜式光譜儀即采用原子發(fā)射光譜分析方法。其特點如下：1 ）可多元素同時檢測，包括非金屬元素 c、si、s和P等：2）分析速度快，可同時對幾十種元素進行定量分析（光電直讀儀）；3）選擇l生高，能識別各元素不同的特征光譜；4）分析

9、精度高，穩(wěn)定性好，可以采用氮氣/空氣 2種測量模式：5） ICP-AES性能優(yōu)越，線性范圍46數(shù)量級。可測高、中、低 不同含量試樣。2壓力管道監(jiān)檢常見標準中光譜分析的規(guī)定在壓力管道監(jiān)檢的法規(guī)及相應施工規(guī)范中，為確保材料符合設 計要求，一般要求進行光譜分析。GB 50235-97工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范中規(guī)定：合金鋼管道組成件 應采用光譜分析或其他方法對材質進行復查，并應作標記；合金鋼閥門的內件材質應進行抽查，每批（同制造廠、同規(guī)格、同型號、同時到貨）抽查數(shù)量不得少 于1個。SH 3501-2002 （石油化工有毒、可燃介質管道工程施工及驗收規(guī) 范中規(guī)定：合金鋼管道組成件主體的關鍵合金成分

10、，應根據(jù) SH 3501-2002的 比例采用光譜分析或其他方法進行半定量分析復查，并應作標記：合金鋼閥門的閥體應逐件進行光譜分析，若不符合要求.該批閥門不得使用：設計壓力等于或大于10MPOI道用螺栓、螺母，應逐件進行快速光譜分析檢驗； 設計溫度低于 -29C的低溫管道合金鋼螺栓、螺母，應逐件進行快速光譜 分析檢驗；其他合金 鋼管道組成件的快速光譜分析，每批應抽檢 5%,且不少于1件；若有不合格， 應按該規(guī)范相應規(guī)定處理。HG20234-93化 工建設項目進口設備、材料檢驗大綱中規(guī)定： 管子的檢驗一對合金鋼管及不銹鋼管應按爐號、批號抽查數(shù)量的5%，但不得少于1根進行材料成分光譜分析鑒定，應符

11、合有關材料標準的規(guī)定；管件的檢驗-合金鋼及不銹鋼管件的合金成分， 應做光譜分析鑒定，其抽查數(shù)量可按同規(guī) 格、同材質（不銹鋼管件2%,合金鋼管件5 %10%）進行抽查，應符合材料 標準的規(guī)定。3光譜分析在壓力管道監(jiān)督檢驗中的應用x-Met 3000Tx手持式光譜儀、Arc-met 8000便攜式光譜儀等儀器 攜帶方便，分析迅速，特別適用于壓力管道安裝現(xiàn)場的材料核查分析3. 1光譜分析發(fā)現(xiàn)的問題寧波特種設備檢驗檢測中心購買光譜分析儀后，已進行了約8000件壓力管道、管件的光譜分析，在壓力管道元件的光譜抽查分析中也發(fā)現(xiàn) 了一些問題，主要集中如下：1）實際使用的材料與設計不符合：2 ）以低代高，買錯或

12、用錯材料，如不銹鋼 316錯用304, 304L 錯用304等：3）部分重要金屬元素含量偏低，如 304不銹鋼中Cr、Ni含量偏 低，316中M*量偏低，16Mn中Mn含量偏低，鈦合金中Ti含量偏低等；4）同一條管道中不同批次的材料化學成分差異較大.不符合標準 要求；5）同一元件不同位置其化學成分含量差異過大而不符合要求，如在部分三通、大小頭和彎頭的不同位置其化學成分差異很大。通過光譜抽查，可以及時發(fā)現(xiàn)上述問題，消除壓力管道安裝的部 分隱患，同時可以為用戶和使用單位挽回損失。3. 2光譜分析的使用原則Arc-met 8000便攜式光譜儀采用原子光譜的原理，需要用電火花 激發(fā)，但其能準確測量低原

13、子序數(shù)元素（如c、si、s、P等非金屬元素）含量；X- Met3000TX手持式光譜儀采用x射線譜的原理,便于攜帶，使用比較靈活, 檢測速度快，但是其不能直接測量c含量，對低原子序數(shù)元素測量存在一定的誤 差，因此其應用受到一定的限制。 Arc-met 8000便攜式光譜儀適用于材料的精 確定量分析，X-Met 3000Tx手持式光譜儀適合于材料牌號的快速識別.但是由 于儀器數(shù)據(jù)庫中多以國外材料牌號顯示，因此在檢測國內材料時應引起注意。對于法蘭、螺栓、螺母等大批量管件，一般情況下僅需進行定性 分析，識別出牌號即可使用；對應用于重要的、危害性大的合金鋼管道，應進行 定量的光譜分析。對光譜儀要定期進

14、行標準化，以保證檢測的準確可靠，例如 HArc-met 8000便攜式光譜儀每兩星期應進行一次標準化。3. 3典型光譜儀實際使用常見故障及解決措施為保證現(xiàn)場光譜分析測量的準確性. 現(xiàn)針對Arc-met 8000便攜式 光譜儀在實際使用時常見的故障及解決措施列舉如下：1 ）沒有燃燒充分表現(xiàn)：燃燒點處只有很淺的1個白點.看不到被燃燒后的痕跡。原因：（1）起弧不好，需要清理電極；（2）試樣打磨不好。打磨注意事項：打磨試樣時.一定要將氧化層、銹蝕層打磨掉，露出金屬本體，打磨面積30mmfc右：被測點要干凈，不能有手印、銹跡、油污、裂紋、夾渣、氧化皮及鈍化鋁，銳碳層也要 去掉；有些試樣也可用酒精清洗；不

15、同基體的被測材料最好用不同的砂紙打磨， 以免影響測試精度。2 ）某一元素偏離正常值太遠原因：單點標準化選錯（例：做304管件，卻錯選316為單點， 結果可能出現(xiàn)Mo含量偏高，高于1） o3 ）起弧不好原因：（1）電極觸發(fā)不好，需要清理電極或磨尖電極；（2）可能是氣體保護不好，操作過程中漏氣太嚴重：（3）需要清理燃燒倉。4結論壓力管道監(jiān)督檢驗是按照國家法規(guī)和相應標準要求進行的質量安 全檢驗，其目的是把缺陷消除在試運、使用之前。材料是保證管道安全可靠運行 的最重要保證，因此 嚴把材料關是壓力管道監(jiān)督檢驗中的重點。通過合理、科 學地使用光譜分析儀，可以快速、準確地判斷管道材料是否用錯，因此光譜分析 在壓力管道安裝過程中成為 不可缺少的分析手段。對壓力管道的安全運行起著 越來越重要的作用。參考文獻1陳新坤.原子發(fā)射光譜分析原理.天津：天津科學技術出版社.19892李民贊.光譜分析技術及其應用.北京：科學出版社，20063劉鳴娟.Are-Mc030直讀光譜分析儀工作原理及在鋼鐵分析中的應用.國外金屬熱處理，2004 （1