光谱分析在压力管道监督检验中的应用[j]

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1、光谱分析在压力管道监督检验中的应用陈松生等压力管道是工业生产和城市生活的动脉，担负着输送易燃、易爆、有毒、高温、高压等具有较大危险性介质的任务，与工业生产和人民的生活息息相关。由于压力管道安装过程中其组成件多而杂及安装单位人员水平参差不齐等原因，很容易在安装过程中错用材料，这将为压力管道以后的运行埋下极大的隐患，甚至导致重大事故，造成巨大损失。因此，保证材料的正确使用是压力管道安装监督检验的一项重要职责。而光谱分析（PMI）为实现管道材料的现场快速分析提供了技术保障，能通过定性或定量分析，迅速识别材料牌号或查明材料化学成分，确

2、保压力管道安装阶段使用材料的准确性，排除材料误用而引起的重大事故隐患。1光谱分析方法的类型和原理      光谱分析法是指各种元素在高温、高能量的激发下都能产生自己特有的光谱，根据元素被激发后所产生的特征光谱来确定金属的化学成分及大致含量的方法。通常借助于电弧，电火花，激光等外界能源激发试样，使被测元素发出特征光谱。经分光后与化学元素光谱表对照，做出分析的方法。光谱分析的方法有很多种，如x射线光谱分析法、原子吸收光谱分析法、红外吸收光谱分析法、紫外一可见光谱分析法、分子发光光谱分析法、激光拉曼光谱分析法和原子发射光谱分析法等宁

3、波市特种设备检验检测中心从芬兰OXFORD公司引进的型号为X-Met3000TX手持式光谱仪和Arc-met8000的便携式光谱仪其原理分别属于x射线吸收光谱分析法和原子发射光谱分析法。下面分别介绍x射线吸收光谱分析法和原子发射光谱分析法的原理和特点。1．1X射线吸收光谱分析法的原理和特点       高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发，产生x射线辐射，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

4、出电子留下的空穴，并释放出x射线光子，x射线发生示意如图1所示。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；b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7x102-2x10-1nm。      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

5、为P0，当它穿过样品（厚度为xcm）以后的强度为P，μ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，p为吸收物质密度。当吸收物质是元素时，与化学和物理状态无关，但与波长、原子性质存在以下关系：式中，Ⅳ为阿伏伽德罗常量；z为原子系数；A为相对原子质量：λ为波长；c是常数。      质量吸收系数具有加和性，1个复杂的基质，如化合物、混合物及合金等，它们含有11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。为元素i在样品中的质量分数。由于x射线被吸收程度

6、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。      X-MET3000TX手持式光谱仪即采用x射线吸收光谱分析方法，其特点如下：     1）采用高精度、高灵敏度、高分辨率的Si-PIN检测器，环境温度可以-10～50℃：     2）分析速度快测量精度高，需2~5s即可识别牌号；      3）对试样表面要求相对较低。仅需去除氧化层即可进行检测：     4）重量轻，便于携带，测头端部的设计可方便地分析测量复杂形状试样。例如：角焊缝、很小的样品。即使测头与被试样有一小段距离也不会影响分析结果：     5

7、）可测量多种基体材料，如低合金钢、工具钢、不锈钢、铜合金钻合金、铝合金、钛合金、镍合金等；     6）原子序数（z）小的元素（如c、S、P等非金属元素）测量准确性不高：      7）会产生x射线，操作不当会对人体造成一定的伤害，在检测时也需要布置相应的防护措施。1．2原子发射光谱分析法的原理和特点      原子发射光谱分析法是元素在受到热或电激发时，由基态跃迁到激发态。返回到基态时，发射出特征光谱，依据特征光谱进行定性、定量的分析方法。其检测原理如图2所示。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

8、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N；（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A示。因此,谱线的强度为：                  ，      式中，￠为考虑在4Π球面角度上发射各向同性的一个系数；b是普朗克常量；c