第14章光譜技術(shù)

TOC\o"1-3"\h\z\u第一節(jié)光譜分析技術(shù)概述 2一、發(fā)展歷程 2（一）開創(chuàng)時期 2（二）奠基時期 3（三）成熟時期 3（四）發(fā)展的快速進步時期 4（五）新的發(fā)展階段 5二、分類 6（一）光譜分析方法的分類 6（二）典型光譜分析方法介紹 7三、應(yīng)用情況 9（一）適用性 9（二）特點 10第二節(jié)光譜分析技術(shù)基本原理 11一、光譜的基本知識 11（一）光和光譜 11（二）光譜分析原理 12二、電網(wǎng)設(shè)備常見材質(zhì) 14（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼 14（二）低合金高強鋼 15（三）不銹鋼 18（四）鋁及鋁合金 19（五）銅及銅合金 20三、光譜分析儀組成及基本原理 21第三節(jié)光譜分析及診斷方法 25一、分析方法 25（一）分析前的準(zhǔn)備 25（二）現(xiàn)場分析測量 25二、診斷方法 26（一）試驗數(shù)據(jù)的處理 26（二）光譜分析的注意事項 27第四節(jié)典型光譜分析案例分析 28一、隔離開關(guān)連桿球鉸光譜分析 28（一）案例經(jīng)過 28(二）檢測分析方法 28（三）.其他檢測方法的驗證 30（四）斷裂原因分析 32（五）結(jié)論 32第十四章光譜分析技術(shù)第一節(jié)光譜分析技術(shù)概述一、發(fā)展歷程光譜分析法是基于物質(zhì)發(fā)射的電磁輻射及電磁輻射與物質(zhì)的相互作用而建立的分析方法。通過對物質(zhì)光譜的分析，可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，也可以藉此獲得物質(zhì)微觀組成的信息，譬如獲取金屬的元素成分等。光譜分析技術(shù)發(fā)展至今，不僅是一種科學(xué)工具，也為化學(xué)分析提供了重要的定性與定量的分析方法。光譜分析法從開始研究到發(fā)展成一個學(xué)科再到現(xiàn)代光譜學(xué)的飛速發(fā)展，已有一百多年的歷史了。從17世紀(jì)60年代光譜分析方法的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40、50年代跳出科學(xué)實驗范疇成為廣泛應(yīng)用的分析檢測手段以后得到快速發(fā)展再到21世紀(jì)各行業(yè)高精尖技術(shù)在光譜分析領(lǐng)域的成功應(yīng)用，光譜分析技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技必不可少的精密檢測、分析手段，為現(xiàn)代天文學(xué)、航空航天、分子生物學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、環(huán)境和生態(tài)等新科技的建立和發(fā)展提供基礎(chǔ)，而且為現(xiàn)代大工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代文化事業(yè)的大發(fā)展也做出不可低估的貢獻。楊銘珍對光譜分析方法在1980年之前的發(fā)展歷史進行過相關(guān)綜述，王昌益對1980年～1990年光譜分析的進展進行了分析，范世福對20世紀(jì)末和21世紀(jì)初光譜分析技術(shù)的發(fā)展進行了評述，劉崇華等對光譜分析的發(fā)展歷史進行了簡要概括。在此基礎(chǔ)上，本章將光譜分析法的發(fā)展大致可以分為五個階段，第一階段（1666年-1860年）是光譜分析的開創(chuàng)時期，第二階段（1861-1900）是光譜分析的奠基時期，第三階段（1901-1950）是光譜分析的成熟時期，第四階段（1950-1980）是光譜發(fā)展的快速進步時期，第五階段（1981-至今）光譜發(fā)展新的階段。（一）開創(chuàng)時期圖14-1牛頓和他的棱鏡早在1666年，牛頓（I.Newton）把通過玻璃棱鏡的太陽光分成從紅光到紫光的各種顏色的光譜（見圖14-1），由此發(fā)現(xiàn)白光是由各種顏色的光組成的。1802年，沃拉斯頓（W.H.Wollaston）在此基礎(chǔ)上進行了改進并重做了該實驗，觀察到太陽的光譜線。1814年，德國光學(xué)專家、物理學(xué)家、光柵的發(fā)明者夫瑯和費（J.Fraunhofer)繼續(xù)研究了太陽光譜（見圖14-2），發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中有700多條黑線，并對這些黑線的相對位置進行了排列，因此后來將太陽光譜的黑線叫做“夫瑯和費線”。圖14-1牛頓和他的棱鏡1859年10月，克?；舴?Kirchhoff)和本生(Bunsen)，首先將分光鏡用于化學(xué)分析，他們細致研究了金屬在蒸發(fā)到火焰中或放電中就會發(fā)出同樣的光譜，并利用這種方法先后發(fā)現(xiàn)了銫和銣元素，證明了光譜分析可以用作定性化學(xué)分析。同時，他們研制了第一臺實用的光譜儀，使用了能產(chǎn)生較高溫度和無色火焰的光源-本生燈，系統(tǒng)地研究了一些元素，確定了光譜與相應(yīng)原子性質(zhì)之間的簡單關(guān)系，奠定了光譜定性分析的基礎(chǔ)。圖14-2夫瑯和費和他的分光鏡（二）奠基時期圖14-2夫瑯和費和他的分光鏡自從克希霍夫和本生開創(chuàng)了光譜分析，相繼有許多科學(xué)家利用該方法發(fā)現(xiàn)了許多新元素。由于天文學(xué)和化學(xué)的需要，而使光譜分析得到迅速發(fā)展和完善起來。在分光系統(tǒng)方面，從1869年～1892年期間，先后產(chǎn)生了邁克耳孫（Michelson)干涉儀、羅蘭(Rowland)凹面光柵、艾勃特(Ebert)裝置、瓦茲握茨(Wadsworth)裝置、帕刑—朗格(Paschen--Runge)裝置。這些裝置中有很多經(jīng)典設(shè)計到今天為止一直被廣為應(yīng)用。在接收(記錄)系統(tǒng)方面，先后產(chǎn)生了干膠板、干膠片、軟照相膠片等發(fā)明。在激發(fā)光源方面，1887年愛迪生(Edison)發(fā)明了白熾燈。在這期間1895年X射線的發(fā)現(xiàn)以及1897年湯姆遜(Thomson)發(fā)現(xiàn)電子也促使光譜發(fā)展。在理論上，1885年巴耳末（Balmer）在孟懷爾(Weawhile)得到光譜學(xué)上第一個光譜線的理論關(guān)系式，即大家熟知的巴耳末公式。里得伯(Rydberg)發(fā)展了巴耳末的理論,開始了定量的描述的里得伯公式。（三）成熟時期1900年～1920年期間，普洛克(Pollok)、朗拉得(Leonard)和德格拉孟得(deGramond)在光譜線出現(xiàn)的條數(shù)與在光源中存在的元素含量之間的關(guān)系方面進行了相關(guān)研究。1907年德格拉孟得發(fā)現(xiàn)了元素的最后線。在激發(fā)光源方面，1916年帕刑(Paschen)發(fā)現(xiàn)了空心陰極燈，1918年出現(xiàn)了真空火花。在分光系統(tǒng)方面，1910年出現(xiàn)了伊格爾(Eagel)裝置。在技術(shù)上，1913年美國出現(xiàn)了第一個工業(yè)試驗所。從1920年開始，光譜學(xué)的工作開始集中注意到近代發(fā)射光譜分析。1922年出現(xiàn)了定量攝譜分析的國際標(biāo)準(zhǔn)局。1925年由格拉奇(Gerlach)首先提出了內(nèi)標(biāo)原理，使光譜定量分析由于光源帶來的不穩(wěn)定得到相對穩(wěn)定的結(jié)果，提高了光譜分析的精密度和準(zhǔn)確度，此舉真正奠定了光譜定量分析的基礎(chǔ)，給光譜定量分析在實際應(yīng)用上打開了道路。從此，光譜分析法逐漸代替了化學(xué)上的容量和重量分析法。由于光譜分析法準(zhǔn)確、精密、靈敏、快速、經(jīng)濟、在技術(shù)上操作簡便，在科學(xué)技術(shù)界普遍得到承認和應(yīng)用。1929年1月，美國工業(yè)光譜分析專家之一C.C.萊取(C.C.Nitchie)主編的《光譜定量分析》文獻第一次公開出版。在光源方面，相繼出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)火花光源、高壓交流電弧、點火電弧、空氣隙火花光源、空心陰極光源、可調(diào)火花光源。在光譜記錄系統(tǒng)方面相繼出現(xiàn)了測微光度計、對數(shù)扇板、對數(shù)階梯光欄、對數(shù)階梯減光板。在應(yīng)用光譜方面，1938年由文森特(Vincent)、鎖與爾(Sawyer)和杉普森(Sampson)首先將光譜化學(xué)分析引進鑄造車間。（四）發(fā)展的快速進步時期從1947年半導(dǎo)體管的發(fā)明后，人們認識到低濃度的物質(zhì)對于改變金屬和半導(dǎo)體的物理、熱和電的性質(zhì)以及改變生物繁殖有著極其重要的作用，物質(zhì)痕量分析得到發(fā)展，光譜分析技術(shù)因此進一步得到廣泛應(yīng)用，而且深入許多學(xué)科，如冶金、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食物、飲料加工、石油工業(yè)以及磨損金屬的分析等等。光源技術(shù)發(fā)展很快，相繼出現(xiàn)不同類型的電弧和火花光源。1958年開始，先后出現(xiàn)了持續(xù)ac電弧、三電極真空火花、等離子體噴焰光源、紅寶石激光器、激光微探針火花、高頻等離子體、高強度空心陰極光源、染料激光器、高重復(fù)頻率火花、、輝光放電光源等光源，甚至出現(xiàn)了光子激光源和亞穩(wěn)態(tài)能級激光源在光譜儀器方面，這一階段出現(xiàn)了階梯光柵(Echelle)裝置、索拉—曼摸卡(Seya—Namioka)裝置、纖維光學(xué)、阿比光譜儀、真空直讀儀、遠紫外光譜儀、全息光柵等等。特別是自本世紀(jì)50年代電子計算機出現(xiàn)以來，將計算機技術(shù)引入光譜，因此1958年出現(xiàn)了計算機與光譜儀聯(lián)機的新的一代光譜儀，光譜儀方面的趨向小型化、自動化。（五）新的發(fā)展階段在20世紀(jì)70～80年代，出現(xiàn)了電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（ICP-AES）分析法，使發(fā)射光譜分析功能得到極大地提高，被譽為“發(fā)射光譜發(fā)展新的里程碑”。進入20世紀(jì)90年代，光譜分析向以下幾個方向發(fā)展：一是向多儀器聯(lián)合方向發(fā)展；二是向“化學(xué)修飾”方向發(fā)展；三是向樣品非破壞性分析方向發(fā)展；四是Chemometrics興起成為光譜分析的重要發(fā)展方向。從21世紀(jì)開始，全球范圍各領(lǐng)域提出持續(xù)發(fā)展的更高、更新的要求即更高分辨率、更高靈敏度、更快分析速度、更少試樣量、更小儀器體積、更牢固無故障結(jié)構(gòu)、遙感遙測。與此同時，現(xiàn)代科技的新發(fā)展成果(如新探測原理、新數(shù)學(xué)手段、新計算機軟硬件、新器件、新工藝)也為光譜分析技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供理論和物質(zhì)基礎(chǔ)，伴隨著光譜儀器的發(fā)展，光譜分析技術(shù)獲得100年未曾有過的突破性發(fā)展。隨著高科技術(shù)的引入，一些新的光源（如微波等離子體、輝光放電、激光誘導(dǎo)等）的研制成功，以及廣泛地應(yīng)用微電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的結(jié)合，使發(fā)射光譜分析向高精度和高可靠性發(fā)展，向更寬廣的應(yīng)用范圍發(fā)展。如今，光譜分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛物理、化學(xué)、生物、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文、地質(zhì)、工業(yè)等各個領(lǐng)域，如美國國家航空航天局（NASA）曾經(jīng)將XRD技術(shù)（X射線衍射技術(shù)）成功的應(yīng)用在火星科學(xué)實驗室項目中的“好奇”號漫游者上（見圖14-3）。圖14-3“好奇”號漫游者圖14-3“好奇”號漫游者綜上，整個光譜分析是隨著社會需要而發(fā)展起來的。首先由于天文、化學(xué)、物理方面的需要而奠定了基礎(chǔ)。尤其是電的發(fā)現(xiàn)、光學(xué)和原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)現(xiàn)奠定了它的理論基礎(chǔ)，同時由于光譜分析法本身具有準(zhǔn)確、精密、靈敏、快速、經(jīng)濟、方便的優(yōu)勢，很快普遍得到承認和應(yīng)用。另一方面，由于其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光譜分析運用了這些新的科學(xué)技術(shù)，從而隨著這些科技的發(fā)展而得到新的發(fā)展。但就光譜分析本身發(fā)展過程具體情況而論，不外乎是激發(fā)光源、分光系統(tǒng)和接受(記錄)系統(tǒng)等三個方面不斷得發(fā)展。二、分類（一）光譜分析方法的分類光譜分析法有多種分類方法。按照電磁輻射的本質(zhì)來分，可以分為原子光譜分析法和分子光譜分析法，其中原子光譜分析法又可分為原子發(fā)射、原子吸收、原子熒光、X射線熒光4種，分子光譜分析法又可分為紫外可見光譜法、紅外可見光譜法、分子熒光光譜法、分子磷光光譜法、核磁共振光譜法、化學(xué)發(fā)光光譜法6種。按照電磁的傳遞方式，又可分為吸收光譜法、發(fā)射光譜法和散射光譜法三類，前兩大類又分別細分為4小類和6小類，散射光譜法用于物質(zhì)分析主要是拉曼光譜法。具體分類方法見圖14-4。當(dāng)然，根據(jù)一些文獻，按電磁傳遞方式還可以分為散射、折射、衍射、轉(zhuǎn)動等4種來分，此處不贅述。原子光譜法原子光譜法原子發(fā)射原子吸收原子熒光X射線熒光紫外可見紅外可見分子熒光分子磷光核磁共振化學(xué)發(fā)光分子光譜法光譜分析法原子吸收紫外可見紅外可見核磁共振原子發(fā)射原子熒光分子熒光分子磷光X射線熒光化學(xué)發(fā)光吸收光譜法發(fā)射光譜法圖14-4光譜分析技法的分類散射光譜法法散射光譜法法拉曼光譜法拉曼光譜法原子光譜法是由原子外層或內(nèi)層電子能及的變化產(chǎn)生的，他的表現(xiàn)形式為線光譜（見圖14-5）。屬于這類分析方法的有，原子發(fā)射光譜法（AES），原子吸收光譜法（AAS），原子熒光光譜法（AFS)以及以X射線熒光光譜法(XFS)。分子光譜法是由分子中電子能級，振動和轉(zhuǎn)動能級的變化產(chǎn)生的，表現(xiàn)為帶光譜。屬于這類分析方法的有，紫外可見分光光度法(UV-Vis)，紅外光譜法（IR)分子熒光光譜法（MFS)和分子磷光光譜法(MPS)，核磁共振與順磁共振波譜（N）等。圖14-6純乙醇、乙醇水溶液、純水的吸收圖譜圖14-5H、He、Hg的原子線狀光譜圖14-6純乙醇、乙醇水溶液、純水的吸收圖譜圖14-5H、He、Hg的原子線狀光譜（二）典型光譜分析方法介紹下面對光譜分析的幾類典型的光譜分析方法分別簡單介紹：1.原子發(fā)射光譜分析法（atomicemissionspectrum，AES）以火焰、電弧、等離子炬等作為光源，使物質(zhì)的氣態(tài)原子的外層電子受激發(fā)射出特征光譜,根據(jù)此特征光譜進行定量分析的方法稱為原子發(fā)射光譜分析法。2.原子吸收光譜分析法（atomicabsorptionspectrum，AAS）當(dāng)氣態(tài)原子所吸收的光源提供的電磁輻射能與該物質(zhì)的兩個能級間躍遷所需的能量滿足的關(guān)系時，原子將產(chǎn)生吸收光譜。利用原子吸收光譜來定量分析的方法稱為原子吸收光譜分析法。3.原子熒光分析法（atomicfluorescencespectrometry，AFS）氣態(tài)原子吸收特征波長的輻射后，外層電子從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，然后又躍回基態(tài)或低能態(tài)時，同時發(fā)射出與原激發(fā)輻射波長相同或不同的熒光輻射，在與光源成90o的方向上，測定熒光強度進行定量分析的方法稱為原子熒光分析法。4.X射線熒光分析法（X-rayfluorescenceanalysis，X-rayfluorimetry）原子受高能輻射，其內(nèi)層電子發(fā)生能級躍遷，發(fā)射出特征X射線（X射線熒光），通過測定其強度進行定量分析的方法稱為X射線熒光分析法。5.紫外吸收光譜分析法（ultraviolet-visibleabsorptionspectrum）利用溶液中分子吸收紫外和可見光產(chǎn)生躍遷所記錄的吸收光譜圖，進行化合物結(jié)構(gòu)分析、定量分析的方法稱為紫外吸收光譜分析法。6.紅外吸收光譜分析法（infraredabsorptionspectrometry）利用分子中基團吸收紅外光產(chǎn)生的振動-轉(zhuǎn)動吸收光譜進行定量和有機化合物結(jié)構(gòu)分析的方法稱為紅外吸收光譜分析法。7.分子熒光分析法（molecularfluorescencespectrometry）某些物質(zhì)被紫外光照射激發(fā)后，在回到基態(tài)的過程中發(fā)射出比原激發(fā)波長更長的熒光，通過測量該熒光強度進行定量分析的方法稱為分子熒光分析法。8.分子磷光分析法（MolecularPhosphormetricanalysis）處于第一最低單重激發(fā)態(tài)分子以無輻射弛豫方式進入第三重激發(fā)態(tài)，再躍遷返回基態(tài)發(fā)出磷光。通過測定該磷光強度進行定量分析的方法稱為分子磷光分析法。9.核磁共振波譜分析法（Nuclearmagneticresonancespectroscopy）具有核磁性質(zhì)的原子核（或稱磁性核或自旋核），在高強磁場的作用下，吸收射頻輻射，引起核自旋能級的躍遷所產(chǎn)生的波譜，叫核磁共振波譜。通過測定核磁共振波譜進行定量分析的方法稱為核磁共振波譜分析法。10.化學(xué)發(fā)光分析法(Chemi-Luminescence，簡稱為CL)依據(jù)化學(xué)檢測體系中待測物濃度與體系化學(xué)發(fā)光強度在一定條件下呈線性定量關(guān)系的原理，利用儀器對體系化學(xué)發(fā)光強度進行檢測，而確定待測物含量的一種痕量分析方法稱為化學(xué)發(fā)光分析法。11．拉曼光譜分析法（Ramanspectrometry）當(dāng)光和物質(zhì)分子作用時發(fā)生有能量交換的散射，這種散射叫拉曼散射。這種散射是光子與物質(zhì)分子發(fā)生能量交換引起，即不僅光子的運動方向發(fā)生變化，能量也發(fā)生變化。這種散射光的頻率與入射光的頻率不同，稱為拉曼位移。拉曼位移的大小與分子的振動和轉(zhuǎn)動的能級有關(guān)，利用拉曼位移研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法稱為拉曼光譜分析法。三、應(yīng)用情況（一）適用性光譜分析方法應(yīng)用在對電網(wǎng)設(shè)備部件成分分析的雖然時間不長，但已經(jīng)顯示出較好的適用性。由于種種原因，電氣設(shè)備金屬部件的材質(zhì)質(zhì)量往往未得到制造廠家和運行人員的重視。很多電網(wǎng)設(shè)備金屬部件在運行不長就發(fā)生銹蝕、失效，運維人員往往采取直接停電更換的措施，未能深入找出部件銹蝕、失效的真正原因。而這其中相當(dāng)一部分是由于電氣設(shè)備的金屬部件的材質(zhì)達不到標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計要求。舉例來說，依據(jù)DL/T-486-2010標(biāo)準(zhǔn)，對交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)傳動軸銷要求“采用不銹鋼或鋁青銅等防銹材料”，“隔離開關(guān)和接地開關(guān)各種金屬部件應(yīng)能有效的防銹耐蝕”。但從實際檢測情況來看，隔離開關(guān)連桿軸銷的材質(zhì)“以次充好、不達標(biāo)”的現(xiàn)象比較多，軸銷銹蝕斷裂、因為軸銷銹蝕而導(dǎo)致閘刀無法開合閘的現(xiàn)象也時有發(fā)生。儲能筒的抱箍、斷路器螺栓也時常發(fā)現(xiàn)因材質(zhì)使用與設(shè)計時不同而銹蝕斷裂。再比如，戶外隔離開關(guān)機構(gòu)箱按照標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)該用“不銹鋼、鑄鋁或其他具有防腐措施的材料”，但往往可以看到運行幾年以后的變電站機構(gòu)箱銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象。總之，電氣設(shè)備的材質(zhì)問題是影響電氣設(shè)備運行安全的一大隱憂，選用一種行之有效的方法對電氣設(shè)備材質(zhì)進行檢驗是電力安全運行的必然要求。圖14-7某變電站的GIS設(shè)備傳動軸銷銹蝕圖14-7某變電站的GIS設(shè)備傳動軸銷銹蝕銷子銹蝕目前電氣設(shè)備主要采用的光譜分析法是X射線熒光法，由于目前市面上該種儀器的原理的手持式光譜儀外形小巧、輕便、攜帶方便、準(zhǔn)確性高，特別適合用于變電工程的現(xiàn)場檢測。便攜式光譜儀不需要被檢測設(shè)備本身帶電，也不需要外接電源，僅依靠充電電池供電。因此，只要在人和帶電體保持安全距離的情況下，操作人員手持便攜式光譜儀可以檢測帶電電氣設(shè)備的金屬材料中的金屬成分含量，當(dāng)然，檢測不帶電電氣設(shè)備更加方便。便攜式光譜儀能立即知曉設(shè)備金屬材料的成分含量，只要預(yù)先知道設(shè)備金屬材料的牌號等信息，就能立即得知被檢測的電氣設(shè)備金屬材料是否合格。2008年，浙江省電力公司某型號閘刀軸銷發(fā)生斷裂，經(jīng)光譜分析，發(fā)現(xiàn)軸銷材質(zhì)與設(shè)計不符，廠家選用防腐蝕能力差的材料代替防腐蝕能力好的材料，后進行分析研究，發(fā)現(xiàn)該缺陷為家族性缺陷。該公司制定反措，對全省該型號的閘刀軸銷進行排查，共更換482把該型號閘刀軸銷，有效的避免了事故的進一步發(fā)生，保障了電網(wǎng)的安全運行。2010年～2013年，浙江省電力公司將不銹鋼材質(zhì)分析納入變電工程基建階段技術(shù)監(jiān)督工作的必檢項目，采用便攜式光譜分析儀在現(xiàn)場進行監(jiān)督檢測。在3年時間中，發(fā)現(xiàn)一批材質(zhì)不合格的金屬部件。其中2011年發(fā)現(xiàn)30件，2012年發(fā)現(xiàn)63件，2013年發(fā)現(xiàn)13件。在全過程金屬監(jiān)督過程中，甚至發(fā)現(xiàn)某些設(shè)備還未投運就已經(jīng)銹蝕(見圖14-7)。表14-1浙江省電力公司2011年-2013年光譜分析發(fā)現(xiàn)缺陷年度（件）發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)量（件）201130201263201313綜上所述，光譜分析可以有效的檢測電氣設(shè)備金屬材質(zhì)各金屬元素含量是否達標(biāo)，可以有效剔除不合格材質(zhì)的金屬部件，做到提前預(yù)防，為電網(wǎng)安全運行保駕護航。（二）特點光譜分析技術(shù)在電網(wǎng)設(shè)備的帶電檢測中應(yīng)用，有下列特點：操作簡便，快速，適宜帶電檢測。光譜分析中一些設(shè)備結(jié)構(gòu)小巧，操作簡單方便，在現(xiàn)場可以直接使用，在保證安全距離的情況下，設(shè)備不必停電，可以對設(shè)備上的金屬部件進行成分分析，并且能理解知曉檢測結(jié)果。靈敏度高。能準(zhǔn)確的檢測金屬部件中的化學(xué)元素成分。目前，大多數(shù)分析方法對常見元素或化合物的相對靈敏度可達到百萬分之一，絕對靈敏度可達10-8g。測量范圍寬。幾乎所有金屬材料都可以檢測，檢測的基體有鐵、鋁、銅、鎳、鈷、鈦、鎂、鋅、鉛、錫、金、銀、鉑、鈀、釕等基體。操作簡單易學(xué)。帶電檢測使用的便攜式光譜儀操作簡單易學(xué)，一般技術(shù)人員通過培訓(xùn)，半天即可學(xué)會操作，適合推廣應(yīng)用。局限性：1）光譜定量分析建立在相對比較的基礎(chǔ)上，必須有一套標(biāo)準(zhǔn)樣品作為基準(zhǔn)來定量，而且定量結(jié)果容易受基體的影響，即要求標(biāo)準(zhǔn)樣品的組成和結(jié)構(gòu)狀態(tài)與被分析的樣品基本一致，給實際應(yīng)用帶來一定的困難。2）目前不能實現(xiàn)遠程控制，帶電檢測時檢驗人員手持設(shè)備，要時刻與設(shè)備的帶電部分保持安全距離。這給設(shè)備的帶電檢測造成的一定的不便。第二節(jié)光譜分析技術(shù)基本原理一、光譜的基本知識（一）光和光譜光具有波動性和粒子性，即波粒二象性。從射線一直到無線電波都是電磁輻射，光也是電磁輻射的一部分（見圖14-8），他們在性質(zhì)上是完全相同的，區(qū)別在于波長或頻率不同，即光子具有的能量不同。按照不同波長有序排列的電磁輻射就組成所謂的光譜。根據(jù)實驗條件的不同，各個輻射波長都具有各自的特征強度。將各種電磁輻射按照波長或頻率的大小順序排列所成的圖或表稱為電磁波譜，電磁波譜波長范圍及其躍遷類型見表14-2。圖圖14-8光波譜區(qū)及能量躍遷圖表14-2表14-2電磁波譜波長范圍及其躍遷類型波譜區(qū)名稱波長范圍波數(shù)δ/cm-1躍遷能級類型γ射線5-140pm2×1010-7×107核能級X射線10-3-10nm1010-106內(nèi)層電子能級遠紫外光10-200nm106-5×104近紫外光200-400nm5×104-2.5×104原子及分子的

價電子或成鍵

電子能級可見光400-750nm2.5×104-1.3×104近紅外光0.75-2.5μm1.3×104-4×103中紅外光2.5-50μm4000-200分子振動能級遠紅外光50-1000μm200-10微波0.1-100cm10-0.01分子轉(zhuǎn)動能級射頻1-100m10-2-10-5電子自旋核自旋（二）光譜分析原理通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。與此同時，光譜學(xué)方法應(yīng)用在獲取物質(zhì)組成方面的信息，為化學(xué)分析提供了多種重要的定性與定量的分析方法。光譜分析的定性、半定量分析光譜分析一般可依據(jù)物質(zhì)與光的相互作用產(chǎn)生的光譜的特征來定性，不同光譜特征有很大差異。光譜定性分析的任務(wù)主要是判斷試樣中含有哪些元素或是是否存在指定的元素，并粗略地估計這些元素的大致含量。電網(wǎng)設(shè)備帶電檢測所用的X射線熒光光譜法屬于原子光譜法的一種，在此作簡要說明。原子光譜由于屬于線光譜，每種原子都有其獨特的光譜，它們按一定規(guī)律形成若干光譜線系。每一種元素都有它特有的標(biāo)識譜線，把某種物質(zhì)所生成的明線光譜和已知元素的標(biāo)識譜線進行比較久可以知道這些物質(zhì)是由哪些元素組成的。因此，可直接依據(jù)其特征譜線波長來定性，如原子發(fā)射光譜即可依據(jù)某元素的特征波長判斷是否為該元素。其他類型的光譜定性原理茲不贅。光譜半定量分析方法介于定性分析和定量分析之間，可以給出元素含量的近似值。半定量分析是以譜線數(shù)目或強度為依據(jù)的，但在進行光譜定性分析時，并不需要找出元素的所有譜線，一般只需找出一根或幾根靈敏線即可。光譜分析的定量原理光譜分析定量原理一般是依據(jù)光的強度與待測分析物質(zhì)含量有確定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)樣品中被測元素的譜線強度來準(zhǔn)確確定該元素的含量。由于某種特定光譜光是由某特定物質(zhì)產(chǎn)生的，一般該物質(zhì)含量越大，相應(yīng)的光譜光的強度也越大，在目前大多數(shù)光譜儀器中，通常是控制儀器在一定的條件下，通過建立特定光譜線的強度與待測分析物質(zhì)濃度的函數(shù)關(guān)系，即通常所說的建立儀器校準(zhǔn)工作曲線，隨后測定未知樣品對應(yīng)的光譜譜線的強度，根據(jù)工作曲線計算出樣品中待測分析物質(zhì)濃度。而不同的儀器，上述譜線的強度與待測分析物質(zhì)濃度的函數(shù)關(guān)系不同。對于原子發(fā)射光譜而言，各種元素某一特征譜線（特定波長的譜線）的強度和在光源中進行激發(fā)時所形成的蒸氣云中該元素的原子濃度間存在的固定關(guān)系。被分析元素在樣品中的濃度越大，則輻射譜線的強度也越大，由譜線強度大小即可判斷元素濃度高低。吸收光譜一般都是基于符合朗伯-比耳定律來定量分析。即將光源輻射出的待測元素的特征光譜通過樣品的蒸氣中待測元素基態(tài)原子所吸收或溶液中待測物質(zhì)分子吸收，由發(fā)射光譜被減弱的程度，進而求得樣品中的待測元素/物質(zhì)的含量。內(nèi)標(biāo)法定量原理內(nèi)標(biāo)法定量原理是光譜分析中重要原理之一。內(nèi)標(biāo)法的基本原理是在試樣和各含量不同的一系列標(biāo)準(zhǔn)試樣中，分別加入固定量的待測物質(zhì)以外的純物質(zhì)，即內(nèi)標(biāo)物。同時測得此時標(biāo)準(zhǔn)試樣中分析物和內(nèi)標(biāo)物對應(yīng)的響應(yīng)，以分析物和內(nèi)標(biāo)物的響應(yīng)比對分析物濃度作圖，得到相應(yīng)的內(nèi)標(biāo)法曲線。最后用測得的試樣與內(nèi)標(biāo)物的響應(yīng)比在校正曲線上獲得對應(yīng)于試樣的濃度。電網(wǎng)設(shè)備光譜分析使用的直讀式光譜儀也采用內(nèi)標(biāo)法定量，其方法是在被分析元素中選一根譜線為分析線，在基體元素或定量加入的其他元素譜線中選一根譜線為內(nèi)標(biāo)線，分別測量分析線與內(nèi)標(biāo)線的濃度，求出他們的比值。該比值不受實驗條件變化的影響，只隨試樣中的元素含量變化而變化。在分析時，測得試樣中線對的相對強度，即可由校準(zhǔn)曲線查得分析元素含量。二、電網(wǎng)設(shè)備常見材質(zhì)電網(wǎng)設(shè)備因用途不同和服役環(huán)境的不同常常要求采用不同種類材料。常用材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強鋼、不銹鋼、Al合金、銅及銅合金等，譬如輸變電線路桿塔、架構(gòu)常常采用碳素結(jié)構(gòu)鋼；緊固件等常采用低合金高強鋼；GIS設(shè)備根據(jù)電壓等級的不同常采用不銹鋼或Al合金；隔離開關(guān)連桿、軸銷、操作機構(gòu)端子箱等要求具有良好防銹蝕作用的設(shè)備或部件常采用不銹鋼、Al合金、銅及銅合金等材料。下面分別對這幾種常用材料的性能進行介紹：（一）碳素結(jié)構(gòu)鋼Carbonstructuralsteel，是一類含碳量約0.05％～0.70％的碳素鋼，個別高達0.90％。電網(wǎng)設(shè)備中主要用于制作輸變電線路桿塔、架構(gòu)等承重部件、金具、緊固用螺栓和螺母等機械零件。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要要求其保證力學(xué)性能，故其牌號體現(xiàn)其力學(xué)性能，用Q＋數(shù)字表示，其中“Q”為屈服點“屈”字的漢語拼音首字母，數(shù)字表示屈服點數(shù)值，例如Q235表示屈服點為235Mpa。若牌號后面標(biāo)注字母A、B、C、D，則表示鋼材質(zhì)量等級不同，含S、P的量依次降低，鋼材質(zhì)量依次提高。若在牌號后面標(biāo)注字母“F”則為沸騰鋼，標(biāo)注“b”為半鎮(zhèn)靜鋼，不標(biāo)注“F”或“b”者為鎮(zhèn)靜鋼。例如Q235-A.F表示屈服點為235Mpa的A級沸騰鋼，Q235-C表示屈服點為235Mpa的C級鎮(zhèn)靜鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼一般情況下都不經(jīng)熱處理，而在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。通常Q195、Q215、Q235鋼中碳含量低，焊接性能好，塑性、韌性好，有一定強度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)和制造普通螺釘、螺母等零件。Q255和Q275鋼碳含量稍高，強度較高，塑性、韌性較好，可進行焊接，通常軋制成型鋼、條鋼和鋼板作結(jié)構(gòu)件以及制造簡單機械的連桿、齒輪、聯(lián)軸節(jié)、銷等零件。常見牌號的碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（按GB/T700-2006和DL/T764.4-2002）見表14-3。表14-3常見牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分牌號等級C%Mn%Si%≤S%≤P%≤脫氧方法Q195-0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F、b、zQ215A0.09～0.150.25～0.550.300.0500.045F、b、zB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.300.0500.045F、b、zB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040zD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045ZB0.045Q275-0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045Z（二）低合金高強鋼低合金高強鋼是指其含碳量通常小于0.25％，合金元素含量不超過5％的鋼材，焊接性能良好。這種鋼材在冶煉時添加入合金元素后鋼材強度明顯提高，使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定三個主要性能指標(biāo)大幅度提高，從而節(jié)約用鋼量。尤其在大跨度或者重負荷結(jié)構(gòu)中更為突出，一般可比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)約20％左右用鋼量。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低合金鋼高強鋼可分為8個牌號：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690；根據(jù)質(zhì)量不同又分為A、B、C、D、E等級，見表14-4（按GB/T1591-2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》）。表14-4常用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分牌號質(zhì)量等級C%≤Mn%Si%≤P%≤S%≤V%Nb%Ti%Al%≥Cr%≤Ni%≤Q295A0.160.80～1.500.550.0450.0450.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-無無B0.160.80～1.500.550.0400.0400.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-Q345A0.201.00～1.600.550.0450.0450.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-B0.201.00～1.600.550.0400.0400.02～0.150.015～0.0600.02～0.20-C0.201.00～1.600.550.0350.0350.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015D0.181.00～1.600.550.0300.0300.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015E0.181.00～1.600.550.0250.0250.02～0.150.015～0.0600.02～0.200.015Q390A0.201.00～1.600.550.0450.0450.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.300.70B0.201.00～1.600.550.0400.0400.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.300.70C0.201.00～1.600.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70D0.201.00～1.600.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70E0.201.00～1.600.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.300.70Q420A0.201.00～1.700.550.0450.0450.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.400.70B0.201.00～1.700.550.0400.0400.02～0.200.015～0.0600.02～0.20-0.400.70C0.201.00～1.700.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70D0.201.00～1.700.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70E0.201.00～1.700.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.400.70Q460C0.201.00～1.700.550.0350.0350.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70D0.201.00～1.700.550.0300.0300.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70E0.201.00～1.700.550.0250.0250.02～0.200.015～0.0600.02～0.200.0150.700.70（三）不銹鋼不銹鋼一般是不銹鋼和耐酸鋼的統(tǒng)稱。它們化學(xué)成分上的共同特點一般是含有12％以上的Cr的以鐵為基的合金（見表14-5）。不銹鋼按照其金相組織不同可以分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。這4種不銹鋼在C含量和主要合金元素含量上有明顯差別，馬氏體不銹鋼Cr含量為12-13％；鐵素體不銹鋼C含量0.07-0.15％，Cr含量14-16％；奧氏體不銹鋼Cl％，Cr15-40％，Ni20％，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼Cr含量在18-28%，Ni含量3%-10%。電網(wǎng)設(shè)備中需要防銹的部件如金具、拉桿、隔離開關(guān)軸銷、操作機構(gòu)端子箱等很多采用的都是不銹鋼。根據(jù)DL/T486－2010要求，隔離開關(guān)和接地開關(guān)的各種金屬部件應(yīng)能有效防銹耐腐，隔離開關(guān)軸銷應(yīng)采用不銹鋼或鋁青銅等防銹材料，對傳動連桿材質(zhì)應(yīng)是滿足機械強度和剛度要求的多棱型不銹鋼無縫鋼管或熱鍍鋅無縫鋼管。依目前國內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)品的用材看，不銹鋼材質(zhì)主要有以下幾種：0Cr18Ni9鋼0Cr18Ni9鋼（美國ASME標(biāo)準(zhǔn)牌號為304鋼）是一種含碳量超低的奧氏體不銹鋼，不但具有良好的耐蝕性還具有一定的抗晶間腐蝕能力。該鋼的焊接性能也較好，焊后不需要熱處理。塑性和低溫韌性也很好，并能拋光。目前工業(yè)國家超低C的Cr-Ni奧氏體不銹鋼產(chǎn)量已達20-25％，而且?guī)缀跛蠧r-Ni奧氏體不銹鋼新牌號均屬超低碳類型。這類鋼中含C量降到0.10％以下，既使較長時間敏化處理（或焊接），由于沒有或僅有少量鉻碳化物的沉淀，在腐蝕介質(zhì)作用下，也不會再出現(xiàn)晶間腐蝕。在不同濃度和不同溫度的一些有機酸和無機酸中，尤其在氧化性介質(zhì)中都有良好的耐蝕性能。這種鋼用于制造要求耐腐蝕的設(shè)備零部件，并可用作耐酸容器及設(shè)備襯里，輸送管道等設(shè)備和零件。這類材料即使在苛刻條件下焊接和使用，也沒有產(chǎn)生晶間腐蝕的危險，可應(yīng)用電力設(shè)備閘刀拐臂銷子、球鉸、轉(zhuǎn)動部件及其他金具、機構(gòu)端子箱等對防腐蝕能力要求較高的場合。（2）1Cr17Ni2鋼1Cr17Ni2鋼屬于馬氏體型鋼，經(jīng)淬火至低溫回火后，具有高的強度、韌性和耐腐蝕性能，可以用各種方法進行焊接。另外還具有良好的切削性能、冷沖壓性能及拋光性能。為控制鋼中鐵素體含量，以免引起力學(xué)性能降低，應(yīng)控制鋼的鉻、鎳含量，即鉻控制在0.11％～0.17％，鎳控制在1.5％～2.5％。該鋼經(jīng)淬火－回火后使用。在800oC以下空氣介質(zhì)中，具有穩(wěn)定的抗氧化性能。不同介質(zhì)不同條件下（酸性、堿性）的耐腐蝕性能高。（3）1Cr14Mn14Ni鋼1Cr14Mn14Ni鋼是一種常用的馬氏體不銹鋼。因為世界范圍內(nèi)鎳的資料相當(dāng)緊缺，在18-8系列鋼的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出一種用錳代替部分鎳的Cr－Mn－Ni不銹鋼材料。錳和鎳一樣，使能和鐵形成無線互溶固溶體（奧氏體）的元素。錳有比鎳大的固溶強化效應(yīng)，使錳鋼的機械性能改善，但錳不能像鎳那樣促進鋼的鈍化，錳穩(wěn)定奧氏體的能力只為鎳的1/2，錳還比較容易促使鉻鋼形成s相，易導(dǎo)致鋼的脆性。但當(dāng)鉻量超過12％時，無論錳量如何增加，也不能得到單相奧氏體。如果在這種鋼中加入少量鎳，使鉻量多于15％時，仍能得到單一的奧氏體組織。耐蝕性、機械性、焊接性與18-8系列鋼相當(dāng)，此時才可以替代18-8系列鋼。在電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)督檢測中，發(fā)現(xiàn)有使用1Cr14Mn14Ni鋼代替18-8鋼的現(xiàn)象，1Cr14Mn14Ni鋼因防腐蝕能力不及18-8鋼，在一些地區(qū)服役不長時間即發(fā)生斷裂。表14-5電網(wǎng)常用不銹鋼的化學(xué)成分牌號C%≤Mn%≤Si%≤P%≤S%≤Cr%Ni%Ti%0Cr18Ni90.062.001.000.0350.03017.00～19.008.00～11.001Cr18Ni90.04～0.102.001.000.0300.03517.00～19.008.00～10.00/1Cr18Ni9Ti0.122.001.000.0300.03517.00～19.008.00～11.005*(C%-0.02)～0.81Cr17Ni20.11～0.170.800.800.0350.03016.00～18.001.50～2.50（四）鋁及鋁合金鋁合金廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)設(shè)備各種金具、SF6電器外殼、管母線等，其密度為2.705×103kg/m3，熔點650OC。常用的鋁合金有鑄鋁、鍛鋁、合金鋁板等。鋁合金按照牌號可分為9類，即1系至9系。1系：1000系列鋁合金代表為1050、1060、1100系列。在所有系列中1000系列屬于含鋁量最多的一個系列。純度可以達到99.00%以上。由于不含有其他技術(shù)元素，所以生產(chǎn)過程較單一，價格相對便宜，是目前常規(guī)工業(yè)中最常用的一個系列。市場上流通的大部分為1050以及1060系列。2系：2000系列鋁合金代表2024、2A16（LY16）、2A02（LY6）。2000系列鋁板的特點是硬度較高，其中以銅元素含量最高，大概在3～5%左右。3系：3000系列鋁合金代表3003、3A21為主。我國3000系列鋁板生產(chǎn)工藝較為優(yōu)秀。3000系列鋁棒是由錳元素為主要添加成分，含量在1.0～1.5之間，防銹功能較好。4系：4000系列鋁棒代表有4A01。4000系列的鋁板屬于含硅量較高的系列。通常硅含量在4.5～6.0%之間。特點是低熔點、耐蝕性好，耐熱、耐磨。一般用于建筑材料、機械零件鍛造用材、焊接材料。5系：5000系列鋁合金代表有5052、5005、5083、5A05系列。5000系列屬于較常用的合金鋁板系列，主要添加元素為鎂，含鎂量在3～5%之間。又可以稱為鋁鎂合金。主要特點為密度低，抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度好，但不可做熱處理強化。6系：6000系列鋁合金代表為6061。主要含有鎂和硅兩種元素，故集中了4000系列和5000系列的優(yōu)點，6061是一種冷處理鋁鍛造產(chǎn)品，容易涂層，加工性能好。適用于對抗腐蝕性、氧化性要求高的場合。7系：7000系列鋁合金代表為7075。主要添加有鋅元素，屬鋁鎂鋅銅合金、超硬鋁合金，可熱處理、有良好的耐磨性和焊接性，但耐腐蝕性較差。8系：8000系列鋁合金較為常用的為8011。屬于其他系列，大部分應(yīng)用為鋁箔，生產(chǎn)鋁棒方面不太常用。9系：9000系列鋁合金是備用合金，不常見。例如：用于SF6電器外殼常見鋁材有：鋁板5A05-H112、5083-H112屬于五系，鍛鋁6A02-T6，6063-T6屬于六系；合金鋁板2A12-H112屬于二系，鑄鋁殼體用ZL101A屬于一系。（五）銅及銅合金純銅的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能僅次于Ag（Ag、銅、Al、Mg、Zn、Ni），密度是8.94g/cm3，熔點是1083C。純銅通常呈紫紅色，故稱紫銅。紫銅具有好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕和可焊等性能，是制備電網(wǎng)導(dǎo)電設(shè)備的良好材料。（工業(yè)上無氧銅及脫氧銅所含有雜質(zhì)及微量元素均不同程度地降低銅的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。）銅合金分類：黃銅：銅-Zn為基的合金；白銅：銅-Ni為基的合金；青銅：除黃銅、白銅以外的銅合金。具體牌號和技術(shù)要求參見GB/T20078-2006《銅和銅合金鍛件》。三、光譜分析儀組成及基本原理光譜分析儀是一種利用色散元件和光學(xué)系統(tǒng)將光輻射按波長分開排列，并用適當(dāng)?shù)慕邮掌鹘邮懿煌ㄩL輻射的分析儀。本章主要以電網(wǎng)設(shè)備光譜分析中常用的直讀光譜儀為例進行介紹。光譜分析儀基本組成包括光源、單色器、檢測器、顯示與數(shù)據(jù)處理。光源：包括連續(xù)光源、線光源、激光光源，連續(xù)光源包括氘燈、鎢絲燈等；線光源包括金屬蒸氣燈(汞燈、鈉蒸氣燈)、無極放電燈等，提供特定波長的光源；激光光源高單色性、方向性強、亮度高、相干性好，在各類光譜儀中應(yīng)用較多。單色器：獲得高光譜純度輻射束的裝置，而輻射束的波長可在很寬范圍內(nèi)任意改變；主要部件：（1）進口狹縫；（2）準(zhǔn)直裝置(透鏡或反射鏡)：使輻射束成為平行光線；（3）色散裝置(棱鏡、光柵)：使不同波長的輻射以不同的角度進行傳播；（4）聚焦透鏡或凹面反射鏡，使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像。光電轉(zhuǎn)換器：它是將光輻射轉(zhuǎn)化為可以測量的電信號的器件，光電轉(zhuǎn)換器要求：靈敏度高、S/N大、暗電流小、響應(yīng)快且在寬的波段內(nèi)響應(yīng)恒定。發(fā)射光譜儀工作流程如下（如圖14-9a）：樣品（一般為液態(tài)）經(jīng)過燃燒產(chǎn)生火焰，經(jīng)過單色器將火焰產(chǎn)生的光變成單色光，檢測器將單色光信號轉(zhuǎn)換成電信號送入讀出器進行數(shù)據(jù)處理，顯示出最終結(jié)果。吸收光譜儀工作流程如下（如圖14-9b）：光源發(fā)出特定的光，通過單色器轉(zhuǎn)變成單色光，單色光照射樣品，在樣品上激發(fā)出特征光譜，檢測器將特征光譜送入讀出器進行數(shù)據(jù)處理，顯示出最終結(jié)果。熒光和散射光譜儀（如圖14-9c）：光源發(fā)出特定的光照射樣品，在樣品上激發(fā)出特征光譜經(jīng)單色器轉(zhuǎn)變成單色光，檢測器將單色光的光信號轉(zhuǎn)變成電信號送入讀出器，讀出器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，顯示出最終結(jié)果。單色器單色器樣品檢測器讀出器件單色器檢測器讀出器件樣品單色器檢測器讀出器件樣品（a）（b）（c）圖14-9各類光譜儀器部件示意圖（a）發(fā)射光譜儀（b）吸收光譜儀（c）熒光和散射光譜儀目前電網(wǎng)設(shè)備光譜分析的帶電檢測采用的直讀光譜儀一般為手持式X射線熒光光譜分析儀，其檢測范圍包括不銹鋼、鎳合金、12鉻鋼、蒙耐爾（其它銅-鎳合金）、鉻-鉬鋼、低合金鋼、工具鋼、銅合金（黃銅，青銅）、鈦合金、鋁合金、稀有金屬等元素成分，但C、Si、Mg、P、S等輕元素除外。手持式X射線熒光光譜分析儀是一種基于XRF光譜分析技術(shù)的光譜分析儀器。X射線熒光產(chǎn)生的原理：物質(zhì)是由原子組成的，每個原子都有一個原子核（圖14-10最內(nèi)圈的粒子團），原子核周圍有若干電子（圖14-10軌道上的圓球）繞其運動。不同元素形成了原子核外不同的電子能級。當(dāng)能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能X射線與原子發(fā)生碰撞時，驅(qū)逐一個內(nèi)層電子從而出現(xiàn)一個空穴，使整個原子體系處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，本身產(chǎn)生的空穴由其外層上電子再補充，直至最外層上的電子從空間捕獲一個自由電子，原子又回到穩(wěn)定態(tài)（基態(tài)）。當(dāng)較外層的電子躍遷到空穴時，產(chǎn)生一次光電子，擊出的光子可能再次被吸收而逐出較外層的另一個次級光電子，此稱為俄歇效應(yīng)，亦稱次級光電效應(yīng)或無輻射效應(yīng)。所逐出的次級光電子稱為俄歇電子。當(dāng)較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量不被原子內(nèi)吸收，而是以光子形式放出，便產(chǎn)生X射線熒光，其能量等于兩能級之間的能量差。圖14-10X射線熒光法基本原理因此，射線熒光的能量或波長是特征性的，與元素有一一對應(yīng)的關(guān)系。這個關(guān)系是1913年由莫斯萊（H.G.Moseley）發(fā)現(xiàn)的，他發(fā)現(xiàn)X射線熒光的波長λ與元素的原子序數(shù)Z有關(guān)，其數(shù)學(xué)關(guān)系如下：式中K和S是常數(shù)。因此，只要測出熒光X射線的波長，就可以知道元素的種類。此外，熒光X射線的強度與相應(yīng)元素的含量有一定對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此，可以進行元素定量分析。X射線熒光光譜分析儀各組成部分：大功率微型直板電子X射線管、Au或Ag靶（內(nèi)置）、硅漂移探測器、恒溫冷卻系統(tǒng)、濾波輪、電源、觸摸顯示彩屏以及數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理系統(tǒng)等組成。X射線熒光光譜分析儀的工作原理（見圖14-11）：X射線熒光光譜分析儀使用一個大功率微型直板電子X射線管（1）發(fā)出足夠能量的X射線源，在原子水平上激勵材料，以將內(nèi)側(cè)軌道上的電子撞出；通過濾光輪（2）選擇有用光束，再通過XRF－X射線束（3）優(yōu)化的光束路徑，打到被檢樣品表面激發(fā)各種元素不同波長的特征譜線，通過大區(qū)域硅漂移探測器（SDD）（5）接收，測量在元素外側(cè)軌道電子變換軌道位置以獲得穩(wěn)定狀態(tài)時所釋放的信號能量，通過元素的信號能量（Kev）辨別元素，而信號的密度用于判斷元素的含量。通過XRF數(shù)據(jù)處理軟件提供有關(guān)材料的定性、半定量及定量信息，其中包含光譜視圖和元素峰值辨別。①XRFX射線管②濾光輪③XRFX射線束④XRF樣品⑤XRFSDD探測器①XRFX射線管②濾光輪③XRFX射線束④XRF樣品⑤XRFSDD探測器圖14-11X射線熒光光譜分析儀原理示意圖第三節(jié)光譜分析及診斷方法一、分析方法手持式X射線光譜儀體型小巧、便于攜帶、操作簡便、外部結(jié)構(gòu)堅固密封且不會對被檢金屬部件造成損傷，能對工件合金元素進行定量或半定量測量，故常用手持式X射線光譜儀進行電網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)場帶電設(shè)備的光譜分析檢驗。（一）分析前的準(zhǔn)備1.資料收集。進行帶電設(shè)備的金屬部件光譜分析之前，應(yīng)首先了解被檢部件的名稱、材料牌號、熱處理狀態(tài)等。應(yīng)熟悉該金屬部件材質(zhì)牌號或所含化學(xué)元素種類及合金元素含量。一般來說，電網(wǎng)設(shè)備金屬部件的材質(zhì)要求來自于兩個途徑，一是國家、行業(yè)或國網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)的要求，二是制造廠的設(shè)計要求。若被檢測的部件材質(zhì)在國家、行業(yè)、國網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)中有要求，則按照標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行；若被檢測的部件在國家、行業(yè)、公司標(biāo)準(zhǔn)中未有明確要求，則可按照制造廠對該部件的設(shè)計要求執(zhí)行。2.被檢部件表面狀況準(zhǔn)備。到達作業(yè)現(xiàn)場后，應(yīng)檢查被檢材料和環(huán)境是否存在影響分析結(jié)果的因素，如是否有鍍層、油漆、油污、氧化層等，如果有必須清理干凈，避免這些因素對檢測結(jié)果造成影響。然后對被檢測部件進行宏觀檢查，部件表面不得有裂紋、疏松、腐蝕、氧化等，被檢材料還應(yīng)有一定的平整面，能覆蓋檢測窗口。目前國內(nèi)市場上某些品牌的儀器在顯示屏上利用軟件可以將檢測窗口調(diào)整至3mm直徑的圓周范圍。若對鐵基材料進行分析，分析面可用砂輪機或砂紙打磨處理。但值得注意的是：分析鐵基材料中的鋁元素、硅元素、碳元素時，分析面不應(yīng)使用含鋁的磨料（如氧化鋁）、含硅磨料（如硅砂輪）和含碳磨料（如碳化硅）打磨處理。分析銅基、鋁基材料，分析面不宜用砂輪機打磨。3.儀器準(zhǔn)備。儀器使用前檢查是否正常，電源是否充足。開機后應(yīng)使用相近材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進行狀態(tài)確認，若儀器顯示元素含量和標(biāo)準(zhǔn)樣品接近，則可接受，若相差較遠，則按照說明書進行校準(zhǔn)。（二）現(xiàn)場分析測量手持式X射線光譜分析儀測量操作均比較簡單，不同的儀器設(shè)備有不同的操作步驟和使用方法。手持式X射線熒光光譜儀操作步驟：（1）檢查被檢測部位表面狀況，合乎檢測要求。（2）將檢測窗口對準(zhǔn)被檢測部位，讓檢測窗口與被檢測部位盡量貼合好。（3）扣動光譜儀扳機，等待約10S～30S（根據(jù)實際檢測情況而定）。（4）從顯示屏讀出示數(shù)。分析成分均勻材料應(yīng)至少檢測3次，取其平均值作為檢測結(jié)果。（5）做好現(xiàn)場記錄。（6）判定是否合格。（6）編寫檢測報告。需要注意是：有的儀器要根據(jù)測試樣品屬性選擇模式：包括合金、涂層、大塊樣、薄片等選項，有的儀器需要校準(zhǔn)，有的儀器測量輕金屬（鋁、硅元素）時會用到第二光束。第一次使用儀器之前應(yīng)仔細閱讀儀器的使用說明書，了解儀器的特點和注意事項，避免因誤操作造成儀器損壞或檢測結(jié)果錯誤。二、診斷方法電網(wǎng)材料進行光譜分析主要有3個目的：材質(zhì)復(fù)核，混料分選，粗定材質(zhì)。目的不同對分析精度的要求也不相同，粗定材質(zhì)一般為更準(zhǔn)確的測定提供依據(jù)，相對精度要求較低。混料幾種材料合金元素不同，比較容易區(qū)別，如果所含元素相同，成分接近就比較難以區(qū)分，甚至需要更精度更高的儀器進行分析，如定量光譜分析或化學(xué)元素分析法來確定。材質(zhì)復(fù)核要求精度相對較高，需要了解被檢工件的各元素組成和含量，并確定含量是否滿足要求。直讀光譜儀的操作和定量分析應(yīng)符合GB/T14203相關(guān)條款規(guī)定；碳元素和中低合金鋼定量分析的分析條件和分析步驟應(yīng)符合GB/T4336相關(guān)條款規(guī)定；不銹鋼定量分析的分析條件和分析步驟宜執(zhí)行GB/T11170相關(guān)條款規(guī)定；鋁及鋁合金的分析條件和分析步驟宜執(zhí)行GB/T7999相關(guān)條款規(guī)定。（一）試驗數(shù)據(jù)的處理根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公司標(biāo)準(zhǔn)以及其它相關(guān)材料的標(biāo)準(zhǔn)要求對光譜儀的試驗結(jié)果進行核對，核對測得的元素含量是否在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求范圍內(nèi)，若滿足要求，則表明被檢測金屬部件滿足要求，評判合格。若初步分析不滿足要求時，應(yīng)進行以下分析確認。1．首先分析試驗過程是否符合要求，排除試驗造成的誤差因素后，應(yīng)進行多次重復(fù)測量，確定元素的分析值超出標(biāo)準(zhǔn)要求。2．確定分析值超出標(biāo)準(zhǔn)要求的元素是否是儀器測量范圍內(nèi)。3．當(dāng)確定元素的分析值超出被檢材料牌號規(guī)定的含量范圍時，應(yīng)在同一條件下用稍高含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品對光譜儀進行復(fù)核。4．對大型工件、鑄件及容易產(chǎn)生成分偏析的部件，應(yīng)在其一定距離范圍內(nèi)進行多點、多次分析。5．對試驗結(jié)果有懷疑是可用普通化學(xué)分析法進行最終確認。6．不宜用直讀光譜分析法代替普通化學(xué)分析法對合金成分進行仲裁。（二）光譜分析的注意事項1.操作者對待分析的材料必須有深刻的理解，才能找出待分辨材料牌號之間的特征差異進行區(qū)別；由于現(xiàn)場工作條件及儀器固有偏差，因此在利用光譜儀進行材料辨別時，還需要人工經(jīng)驗確認，防止出現(xiàn)錯誤。2.光譜分析的人員要仔細了解被檢部件相關(guān)材料信息：原始狀態(tài)，包括規(guī)格，材質(zhì)、熱處理狀態(tài)等。2.了解儀器設(shè)備測量范圍，如某些設(shè)備一些非金屬元素?zé)o法測量等。3.測量時，槍頭前嚴(yán)禁站人，嚴(yán)禁對人扣動扳機；嚴(yán)禁雨天在室外進行光譜分析工作，避免儀器受雨淋；嚴(yán)禁在易燃易爆物品附近進行光譜分析；在高空作業(yè)時人和機器要有防墜裝置。4檢測時，儀器應(yīng)輕拿輕放。測試時嚴(yán)禁關(guān)閉主機電源，否則會損傷儀器。儀器存放濕度應(yīng)適宜，如長期未使用，需打開電源預(yù)熱30分鐘再打開軟件進行測量。5應(yīng)特別注意的是:對電氣設(shè)備在帶電狀態(tài)下進行光譜分析，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家電網(wǎng)安監(jiān)［2009］664號《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程（變電所部分）》和DL/T5009.3-2005《電力建設(shè)安全規(guī)定》關(guān)于設(shè)備不停電時的安全距離的規(guī)定（見表14-6）。表14-6設(shè)備不停電時安全距離電壓等級(kV)安全距離(m)電壓等級(kV)安全距離(m)10及以下(13.8)0.707507.2020、351.0010008.7063(66)、1101.50±50及以下1.502203.00±5006.003304.00±6008.405005.00±8009.30第四節(jié)典型光譜分析案例分析一、隔離開關(guān)連桿球鉸光譜分析（一）案例經(jīng)過2008年6月2日，運行人員發(fā)現(xiàn)某電力局（現(xiàn)名“供電公司”）甌海變海場4357線正母閘刀A、B相間操作連桿斷裂，不能分閘。閘刀型號為DR21-MH25，編號為04/K60002023，連桿材料為0Cr18Ni9。該閘刀于2003年投入運行，2008年6月發(fā)生首次斷裂，據(jù)了解該連桿機構(gòu)比其它線路操作頻繁，連桿機構(gòu)現(xiàn)場連接結(jié)構(gòu)見圖14-12?，F(xiàn)場取樣2個連桿構(gòu)件進行斷裂原因分析。結(jié)果表明，由于斷裂連桿與設(shè)計材料不符（耐腐蝕性能較差），在T型接頭根部產(chǎn)生局部腐蝕，該連桿機構(gòu)在每次動作時，瞬時應(yīng)力較大，根部應(yīng)力集中，首先產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕微裂紋，裂紋在多次動作應(yīng)力作用下擴展，引起連桿斷裂。(二）檢測分析方法1.宏觀檢查在斷裂連桿上明顯有一段螺桿存在腐蝕現(xiàn)象，斷口也有明顯腐蝕現(xiàn)象(見圖14-13)，且螺母和螺桿連接處已腐蝕卡澀，而未斷連桿不存在腐蝕現(xiàn)象，圖14-圖14-12隔離開關(guān)連桿斷裂部位斷裂部位取樣連桿斷裂部位位于T型接頭根部（見圖14-13、14-14），斷口明顯分為3個區(qū)域，①起源部位，②擴展部位（有明顯的貝紋區(qū)，灰色區(qū)域），貝紋較少但很明顯，疲勞面積較少；③撕裂部位（暗色區(qū)域），裂紋擴展較快，疲勞斷面比較粗糙，見圖14-15，有低周疲勞的特征。2.光譜分析圖14-14圖14-14斷裂樣斷口宏觀照明顯腐蝕圖14-15斷口體視鏡放大照斷裂球鉸未斷球鉸圖14-13現(xiàn)場取樣的斷裂球鉸和未斷裂球鉸表14-7斷裂連桿和未斷裂連桿螺栓螺母元素含量部件名稱光譜分析元素含量（％）結(jié)果評定CSiMnPSCrNiCu斷裂球鉸螺栓0.1200.44114.400.0080.00214.380.670.100不符斷裂球鉸螺母0.0790.3911.940.0020.00820.267.562.10基本合格斷裂球鉸未斷部位螺母0.0190.2791.130.0310.00720.019.070.210基本合格斷裂球鉸螺栓（長）0.1490.48914.400.0290.00214.340.730.094不符未斷球鉸螺栓0.0760.4431.150.0370.00818.617.800.211基本合格未斷球鉸