便携式合金分析仪-VANTA

 引言

对于工业组件供应商来说，或者在工业厂区的操作中，PMI检测和材料的鉴别都是非常关键的环节。合金材料的设计需根据具体的要求而定，如：抗腐蚀性能、温度耐受性能，或某些机械特性。合金材料的混淆会导致所生产的组件出现问题。组件出现问题会造成成本损失，其中包括：停工、维修与更换、材料损失（或泄漏）、环境危险和火灾、以及成批污染。

手持式XRF（HH-XRF）是一种快速无损检测（NDT）技术，用于检测合金的组成成分，确认合金的牌号，并对材料的成分进行辨别（PMI）。无论是生产组件，接收合金材料，安装管道、阀门或其它关键性的部件，还是对在役工艺流程系统进行简单的确认检查，手持式XRF分析仪都可以对材料进行快速、明确的辨别。使用PMI分析仪的操作人员可以迅速辨别材料的混淆情况，从而改进了控制材料的过程，并快速获得利润回报。

1.1 手持式XRF技术的基础知识

大多数合金的组成成分为手持式XRF技术可以探测到的元素（图1）。合金样本，因其同质性，以及其主要包含的成分多为反应非常灵敏的元素，而成为XRF技术理想的分析对象。

图1. XRF技术可探测的元素 - 从镁到铀

XRF技术的应用过程包含3个基本部分（图2）：

• 一个用于激励（电离化）样本的X射线源（步骤1、2、3）
• 截取所发射的X射线在被激励（电离化）的材料上产生的（光子）特征图像（步骤4）；
• 处理所获得的光谱特征图像，并将其转化为样本的化学成分和牌号ID结果（步骤5）。

图2. XRF分析过程的几个步骤

由于XRF技术只可对近表面的区域进行检测（只能检测合金样本中10微米左右的高层度），因此要分析带漆层、带镀层、受腐蚀、或是带喷丸处理表面的材料，可能需要对样本进行前处理/磨光。目前，手持式XRF分析仪只可以检测重于钠（Na）的元素。现在还不能对碳、铍、硼或锂元素进行直接测量。

但是，即使存在这些局限性，XRF技术依然可以在原地进行快速（大多数合金需2秒钟时间），而且一般是无损的检测。坚固耐用的XRF工业用套装设备可用于室内、室外和高温应用。虽然手持式PMI分析仪不能保证对所有合金进行冶金认证，但是一般来说可以检测99.5%以上的大多数工业合金。要核查一个牌号，只需从其它相似的牌号中区别出这个牌号即可。一般来说，很容易完成这个操作。手持式XRF可以分辨出特定牌号的不同特性，从而可以非常容易地对含有99 %相同成分的牌号进行区分，如：SS-303、SS-304、SS-321和SS-347；再如：9铬和9铬 V。这些合金的区别可以小到只有0.05%的不同成分。

进行实验室分析，用户需（根据所使用的时间和所花费的资金）支付每次检测的费用，而使用手持式XRF分析仪，用户所花费的几乎所有成本都是前期资本成本。用户购买了XRF PMI分析仪后，他们的每次检测都只是一个耗时2秒钟的“瞄准和发射”过程。由于每次检测的额外成本微不足道，因此用户可以进行大量重复的检测。

生产商在接收材料时需要对材料进行PMI检测，以在厂门前对来料进行核查。在使用和安装时需再次对材料进行检测，以发现在处理来料时可能产生的存放错误。一根焊条，无论是错放在了一个箱子中，还是取自一个错误的箱子，都可以通过检测，在两秒钟之内得到合格或不合格的验证结果。然后，对安装好的、准备投入使用的组件再次进行检测，或者在运送产品之前对产品进行较后的质量控制检测。

只在接收来料时进行一次检测，不能发现在制造或安装的下游过程中出现的错误。对材料进行检测的目的不仅是为了确认材料的正确性，也是为了纠正在放置材料的过程中出现的错误，以避免出现材料混淆问题。使用PMI分析仪进行大量重复的检测是一种可以发现和避免材料混淆的较快、较容易的方法。

从20世纪80年代开始，野外便携式XRF分析仪就已经成为检测不锈钢、铬钼钢、镍合金和钴合金的较理想的工具。分析仪对低合金钢、铜和钛的牌号的处理则会受到更多限制，因为要辨别这些牌号，分析仪需要具有直接测量轻元素的性能，如：铝、硅、硫和磷。过去只在较少的情况下对铝合金的牌号进行检测。要完成有效的铝合金检测，对低于0.5%含量水平的镁、铝和硅元素进行直接测量，至关重要。下面的表1列出了XRF分析仪可获得的各种主要合金元素基于“技术/时间线”的典型检出限（LOD）。

表1. 铁合金中所选元素相对于时间（技术）的大约检出限

	20世纪的80年代和90年代	21世纪的前十年	21世纪的第二个十年
探测器	碘化汞（Hg Iodide）和硅条带（SiPin）	硅条带（SiPin）	硅漂移
分辨率/计数率	500-1000eV/1k-2K cps（每秒计数）	250 eV/4000 cps	160 eV/100k cps
源	同位素	X射线管	X射线管
Mg - 镁（在铝中）	不能探测	>2%，有空气净化情况下*	0.200%
Al - 铝	不能探测	较低量，有空气净化情况下	0.200%
Si - 硅	不能探测	较低量，有空气净化情况下	0.050%
P - 磷	不能探测	较低量，有空气净化情况下	0.014%
S - 硫	不能探测	较低量，有空气净化情况下	0.01%
Ti - 钛	1%以上	0.20%	0.008%
V - 钒	1%以上	0.20%	0.008%
Cr - 铬	0.50%以上	0.05%	0.008%
Ni - 镍	0.50%以上	0.20%	0.009%
Cu - 铜	0.50%以上	0.20%	0.006%
Mo - 钼	0.20%以上	0.05%	0.002%