摘要： 锅炉压力容器监督检验的目的是通过监督检查，把缺陷消除在试运、使用之前。文章阐述了光谱分析(PMI)在监督检验中的重要性，介绍了光谱分析的类型和原理，并对《电站锅炉压力容器检验规程》中关于光谱检查的条例作了改进设想。
关键词： 光谱分析（PMI）；锅炉压力容器；监督检验 随着工业生产和科学技术的发展，锅炉压力容器向高参数大容量发展，高参数大容量的锅炉压力容器固然有很多优点，但如果在制造、安装过程中用错材料，将会给以后的运行带来极大的隐患，甚至导致重大事故，造成巨大的直接或间接经济损失。
光谱分析（PMI）的主要特点在于能对材料的化学成分进行定性或定量分析，这样能在锅炉压力容器制造和安装阶段确保使用材料的准确性，排除了由于误用材料而造成重大事故的隐患。因此，光谱检查在基建机组锅炉压力容器监督检验中，起着不可估量的作用。
1 光谱分析方法的类型和原理
光谱分析的方法有很多种，如原子发射光谱分析法、原子吸收光谱分析法、紫外—可见光谱分析法、分子发光光谱分析法、红外吸收光谱分析法、激光拉曼光谱分析法和X射线光谱分析法等。下面具体介绍原子发射光谱分析方法的原理和X射线吸收光谱分析方法的原理。
1.1 原子发射光谱分析方法的原理
原子发射光谱是基于当原子受激的外层电子从较高的激发态能级跃迁到较低的能级或基态能级时，多余的能量以光的形式辐射出来，从而产生发射光谱。
当原子外层电子在高能级Em和低能级Ek之间跃迁时，其发射谱线的强度正比于：①两能级之间的能量差；②在高能级Em上的粒子总数nm；③单位时间内在两能级间可能的跃迁次数，其数值以跃迁几率Amk表示。
因此，谱线的强度为
式中，Φ是考虑在4π球面角度上发射各向同性的一个系数；h是普朗克常量；c是光在真空中的速度；gm是统计权重；N是总粒子数；k是Boltzmann常量；T是激发温度；λ为波长。
对所有可能的能级，类似于gm·exp（-Em/kT）的分布，总和项定义为分布函数Z，则Z为
Z=g0+g1·exp（-E1/kT） +…+gm·exp（-Em/kT） +…
原子的线光谱是元素的特征。不同的元素具有不同的特征光谱。测量时，适当地选择被测元素的特征谱线作为分析线，利用元素的这种特征谱线检测样品中该元素的存在（定性分析），以及测定谱线的强度确定该元素的含量（定量分析）。
1．2 X射线吸收光谱分析方法的原理
当一束从加热阴极射出且被两极之间电压差加速的高能电子流轰击金属靶（如钼、铜等）的原子时，其能量被原子吸收，同时该原子的内层（K、L、M等）电子被逐出，来自外层的电子立即进入逐出电子留下的空穴，并释放出X射线光子。假定K层电子被逐出，带有K层空穴的离子是不稳定的，因此由低结合能的L层电子替补进入空穴，则释放出的X射线频率为
式中，EL，EK分别为L层和K层能级的能量；h为普朗克常量。由于能级的能量很高，相应释放出的X射线波长很短，约在10-3~1nm，而分析工作中最常用的波长范围约在7×102~2×10-1nm。
与其他电子辐射一样，X射线也会被物质吸收，其吸收程度由物质的性质和量决定，且符合比尔定律
ln(P0/P)=μx
式中，入射的单色X射线的强度为P0，当它穿过样品层（厚度为x cm）以后的强度为P0μ为线性吸收系数，它表示每厘米长的给定元素层所吸收的能量分数。使用广泛的是质量吸收系数μm（cm2·g-1）
式中，ρ为吸收物质密度。当吸收物质是元素时，μm与化学和物理状态无关，但与波长、原子性质存在以下关系
μm=cNz4λn/A
式中，N为阿伏伽德罗常量；z是原子系数；A是相对原子质量；λ为波长；c是常数。
质量吸收系数具有加和性，一个复杂的基质，如化合物、混合物及合金等，它们含有n个组成元素，则这种基质的质量吸收系数可用下式表示
式中，ωi为元素i在样品中的质量分数。由于X射线被吸收程度与元素的性质和量有关，因此利用X射线被吸收程度可以鉴别元素。
1．3 Arc-Met930直读光谱仪工作原理
江苏省锅炉压力容器安全检测中心所从芬兰Metorex公司引进的型号为Arc-Met930便携式直读光谱仪，能进行快速准确全谱定量元素分析。也有从美国Niton公司引进的XLt800系列的X射线光谱分析仪。
Arc-Met930直读光谱仪由主机和探头组成,主机为计算机控制和测量计算系统，而探头又分为三大部分：Ⅰ，光源和激发室；Ⅱ，分光系统；Ⅲ，光电转换系统。Arc
-Met930光路示意图如图1所示。在第Ⅰ部分中由以下几个过程组成：开始→引弧→融化→蒸发→激发→发射光谱。第Ⅱ部分为主要光学元件，起弧后的金属光谱通过一狭缝再经过透镜光阑、狭缝等，到达激光平面全息光栅，该光栅对接收的金属弧光进行分光色散，产生由各元色素特征谱线组成的连续光谱。
图1 Arc-Met930光路示意图
在第Ⅲ部分中，通过光电转换元件把各元素的特征谱线转换成电信号，即记录谱线的强度，最后通过计算机与校准曲线相比较，并利用罗马金—赛泊尔公式进行计算，得到各元素的准确百分含量。传统的光电直读光谱仪，第三部分均采用体积较大的光电倍增管作为光电转换元件，而Arc-Met930直读光谱仪则采用体积很小的光学象素阵列检测器PDA来代替光电倍增管，这是对传统光电直读象素仪领域的一个重要改进。在PDA检测器中，集中了致密排列的2
048个象素(通道)，此时不像在传统固定通道式设计中那样只能获得个别特征谱线，而是把该波长范围内(178～342nm)的所有元素的所有特征谱线全部捕获并进行分析(全谱测量)，使得用同1台直读光谱仪可以分析多种基体，扩大了分析范围。
2 实际应用
为确保电厂发电设备金属材料符合设计要求，保证电力生产安全运行，由中国电力企业联合会提出，电力行业电力锅炉压力容器安全监督管理委员会制定了《电站锅炉压力容器检验规程》。在规程中规定了在锅炉产品制造过程中及锅炉安装过程中都必须进行光谱检查，确保正确使用材料。
2.1 制造质量监检中光谱检查的规定
在《电站锅炉压力容器检验规程》中，锅炉产品制造质量监检中光谱检查的规定如下：①监检汽包、内（外）置式汽水分离器时，对合金钢板和管接头进行光谱检查，防止错用材料。②监检联箱、减温器、汽—汽热交换器、水冷壁进口环形联箱时，抽查合金钢联箱筒体、封头、手孔盖、管接头及其焊缝的光谱报告。③监检受热面时，抽查合金钢管及其焊缝复查报告，应符合有关技术标准。④监检锅炉范围内管子、管件、阀门及附件时，确认合金钢管子、阀门、弯头、三通及大于M32合金钢螺栓已做100％光谱检查。
2.2 安装质量监检中光谱检查的规定
锅炉安装质量监检中光谱检查的规定如下：①锅炉整体超水压试验前监检联箱、减温器、汽—汽热交换器、水冷壁进口环形联箱、低过进口环形联箱时，合金钢焊缝应做光谱检查。②锅炉整体超压水压试验前监检锅炉钢架、吊杆时，对低合金钢材质的梁、柱、吊杆、紧固螺栓和螺母进行光谱检查，16Mn可不做光谱分析。③锅炉整体超压水压试验前，监检锅炉范围内管道、管件、阀门及附件时，对合金钢管安装焊缝要进行1％的光谱抽查。
实际监检过程中，对材料进行光谱检验的测试结果，以及该材料所对应的化学成分见表1。
由表可以看出，光谱仪测量出的数据符合标准值，仪器测量精度高、偏差小,是防止错用钢材必备的测试手段。在实际的监检中，在防止错用材料方面起到了不可估量的作用。
表1 对某材料进行光谱检验的测试结果及化学成分 /％
C
Mn
Si
Cr
Mo
V
S
P
标准值
0.12～0.18
0.40～0.70
0.17～0.37
0.8～1.10
0.40～0.55
/
≤0.035
≤0.035
测试值
0.15
0.58
0.32
1.02
0.5
/
0.023
0.018
3 对《电站锅炉压力容器检验规程》中关于光谱检查条例的改进设想
《电站锅炉压力容器检验规程》中规定，在锅炉产品制造时对焊缝和母材进行100％的光谱检查，因此在锅炉安装质量监检时，只对安装焊缝进行光谱检查，不对管材进行光谱检查。但实际中，对锅炉产品制造和安装质量进行监检的不一定是同一机构，而且在安装施工过程中，有时由于管理不当会造成错用管材的情况，笔者曾经对2台75t/h锅炉进行安装质量监检时，对焊缝进行光谱检查时，没发现错用材料，但对某根管材进行光谱检查时，就发现错用了钢材，明明要用合金钢的管子却误用了碳钢，如不及时发现，后果不堪设想。
因此，建议在对锅炉安装质量进行监检时，不仅要对安装焊缝进行光谱抽查，同时对母材也应进行一定比例的光谱抽查。
另外，应重视锅炉压力容器的安全监督检验工作，加强全过程质量监督。从技术谈判一开始，锅炉压力容器专业人员就应当介入，参与有关设计、制造标准和工艺的谈判，并落实在设备合同中，以确保锅炉压力容器的质量，有利于锅炉压力容器监督检验工作的开展。
4 结论
锅炉压力容器监督检验是按照国家指令性产品质量检验的要求进行的质量检验，其目的是通过监督检查，把缺陷消除在试运、使用之前。
光谱分析能快速、准确地判断所检验材料是否用错，因此光谱分析在电力建设和安全生产运行中成为不可缺少的分析手段并起着重要的作用。
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