便攜式合金分析儀-VANTA

 引言

對(duì)于工業(yè)組件供應(yīng)商來說，或者在工業(yè)廠區(qū)的操作中，PMI檢測(cè)和材料的鑒別都是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。合金材料的設(shè)計(jì)需根據(jù)具體的要求而定，如：抗腐蝕性能、溫度耐受性能，或某些機(jī)械特性。合金材料的混淆會(huì)導(dǎo)致所生產(chǎn)的組件出現(xiàn)問題。組件出現(xiàn)問題會(huì)造成成本損失，其中包括：停工、維修與更換、材料損失（或泄漏）、環(huán)境危險(xiǎn)和火災(zāi)、以及成批污染。

手持式XRF（HH-XRF）是一種快速無損檢測(cè)（NDT）技術(shù)，用于檢測(cè)合金的組成成分，確認(rèn)合金的牌號(hào)，并對(duì)材料的成分進(jìn)行辨別（PMI）。無論是生產(chǎn)組件，接收合金材料，安裝管道、閥門或其它關(guān)鍵性的部件，還是對(duì)在役工藝流程系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的確認(rèn)檢查，手持式XRF分析儀都可以對(duì)材料進(jìn)行快速、明確的辨別。使用PMI分析儀的操作人員可以迅速辨別材料的混淆情況，從而改進(jìn)了控制材料的過程，并快速獲得利潤(rùn)回報(bào)。

1.1 手持式XRF技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

大多數(shù)合金的組成成分為手持式XRF技術(shù)可以探測(cè)到的元素（圖1）。合金樣本，因其同質(zhì)性，以及其主要包含的成分多為反應(yīng)非常靈敏的元素，而成為XRF技術(shù)理想的分析對(duì)象。

圖1. XRF技術(shù)可探測(cè)的元素 - 從鎂到鈾

XRF技術(shù)的應(yīng)用過程包含3個(gè)基本部分（圖2）：

• 一個(gè)用于激勵(lì)（電離化）樣本的X射線源（步驟1、2、3）
• 截取所發(fā)射的X射線在被激勵(lì)（電離化）的材料上產(chǎn)生的（光子）特征圖像（步驟4）；
• 處理所獲得的光譜特征圖像，并將其轉(zhuǎn)化為樣本的化學(xué)成分和牌號(hào)ID結(jié)果（步驟5）。

圖2. XRF分析過程的幾個(gè)步驟

由于XRF技術(shù)只可對(duì)近表面的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)（只能檢測(cè)合金樣本中10微米左右的高層度），因此要分析帶漆層、帶鍍層、受腐蝕、或是帶噴丸處理表面的材料，可能需要對(duì)樣本進(jìn)行前處理/磨光。目前，手持式XRF分析儀只可以檢測(cè)重于鈉（Na）的元素�，F(xiàn)在還不能對(duì)碳、鈹、硼或鋰元素進(jìn)行直接測(cè)量。

但是，即使存在這些局限性，XRF技術(shù)依然可以在原地進(jìn)行快速（大多數(shù)合金需2秒鐘時(shí)間），而且一般是無損的檢測(cè)。堅(jiān)固耐用的XRF工業(yè)用套裝設(shè)備可用于室內(nèi)、室外和高溫應(yīng)用。雖然手持式PMI分析儀不能保證對(duì)所有合金進(jìn)行冶金認(rèn)證，但是一般來說可以檢測(cè)99.5%以上的大多數(shù)工業(yè)合金。要核查一個(gè)牌號(hào)，只需從其它相似的牌號(hào)中區(qū)別出這個(gè)牌號(hào)即可。一般來說，很容易完成這個(gè)操作。手持式XRF可以分辨出特定牌號(hào)的不同特性，從而可以非常容易地對(duì)含有99 %相同成分的牌號(hào)進(jìn)行區(qū)分，如：SS-303、SS-304、SS-321和SS-347；再如：9鉻和9鉻 V。這些合金的區(qū)別可以小到只有0.05%的不同成分。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，用戶需（根據(jù)所使用的時(shí)間和所花費(fèi)的資金）支付每次檢測(cè)的費(fèi)用，而使用手持式XRF分析儀，用戶所花費(fèi)的幾乎所有成本都是前期資本成本。用戶購(gòu)買了XRF PMI分析儀后，他們的每次檢測(cè)都只是一個(gè)耗時(shí)2秒鐘的“瞄準(zhǔn)和發(fā)射”過程。由于每次檢測(cè)的額外成本微不足道，因此用戶可以進(jìn)行大量重復(fù)的檢測(cè)。

生產(chǎn)商在接收材料時(shí)需要對(duì)材料進(jìn)行PMI檢測(cè)，以在廠門前對(duì)來料進(jìn)行核查。在使用和安裝時(shí)需再次對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)，以發(fā)現(xiàn)在處理來料時(shí)可能產(chǎn)生的存放錯(cuò)誤。一根焊條，無論是錯(cuò)放在了一個(gè)箱子中，還是取自一個(gè)錯(cuò)誤的箱子，都可以通過檢測(cè)，在兩秒鐘之內(nèi)得到合格或不合格的驗(yàn)證結(jié)果。然后，對(duì)安裝好的、準(zhǔn)備投入使用的組件再次進(jìn)行檢測(cè)，或者在運(yùn)送產(chǎn)品之前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行較后的質(zhì)量控制檢測(cè)。

只在接收來料時(shí)進(jìn)行一次檢測(cè)，不能發(fā)現(xiàn)在制造或安裝的下游過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)的目的不僅是為了確認(rèn)材料的正確性，也是為了糾正在放置材料的過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，以避免出現(xiàn)材料混淆問題。使用PMI分析儀進(jìn)行大量重復(fù)的檢測(cè)是一種可以發(fā)現(xiàn)和避免材料混淆的較快、較容易的方法。

從20世紀(jì)80年代開始，野外便攜式XRF分析儀就已經(jīng)成為檢測(cè)不銹鋼、鉻鉬鋼、鎳合金和鈷合金的較理想的工具。分析儀對(duì)低合金鋼、銅和鈦的牌號(hào)的處理則會(huì)受到更多限制，因?yàn)橐�辨別這些牌號(hào)，分析儀需要具有直接測(cè)量輕元素的性能，如：鋁、硅、硫和磷。過去只在較少的情況下對(duì)鋁合金的牌號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。要完成有效的鋁合金檢測(cè)，對(duì)低于0.5%含量水平的鎂、鋁和硅元素進(jìn)行直接測(cè)量，至關(guān)重要。下面的表1列出了XRF分析儀可獲得的各種主要合金元素基于“技術(shù)/時(shí)間線”的典型檢出限（LOD）。

表1. 鐵合金中所選元素相對(duì)于時(shí)間（技術(shù)）的大約檢出限

	20世紀(jì)的80年代和90年代	21世紀(jì)的前十年	21世紀(jì)的第二個(gè)十年
探測(cè)器	碘化汞（Hg Iodide）和硅條帶（SiPin）	硅條帶（SiPin）	硅漂移
分辨率/計(jì)數(shù)率	500-1000eV/1k-2K cps（每秒計(jì)數(shù)）	250 eV/4000 cps	160 eV/100k cps
源	同位素	X射線管	X射線管
Mg - 鎂（在鋁中）	不能探測(cè)	>2%，有空氣凈化情況下*	0.200%
Al - 鋁	不能探測(cè)	較低量，有空氣凈化情況下	0.200%
Si - 硅	不能探測(cè)	較低量，有空氣凈化情況下	0.050%
P - 磷	不能探測(cè)	較低量，有空氣凈化情況下	0.014%
S - 硫	不能探測(cè)	較低量，有空氣凈化情況下	0.01%
Ti - 鈦	1%以上	0.20%	0.008%
V - 釩	1%以上	0.20%	0.008%
Cr - 鉻	0.50%以上	0.05%	0.008%
Ni - 鎳	0.50%以上	0.20%	0.009%
Cu - 銅	0.50%以上	0.20%	0.006%
Mo - 鉬	0.20%以上	0.05%	0.002%