摘 要:通過分析現場金相檢驗誤判案例,概況總結了可能導致現場金相檢驗誤判的原因,并提 出了改進措施,最后歸納出防止現場金相檢驗誤判必須考慮的因素.提出檢驗人員在開展現場金 相檢驗及顯微組織判斷時,應對所檢材料表面狀況、壁厚、環境、現場設備能力等因素加以綜合考 慮,防止忽略這些因素造成的顯微組織判斷偏差及技術風險.
關鍵詞:現場金相檢驗;案例;顯微組織;壁厚;環境;設備
中圖分類號:TG１１５．２１ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６３９Ｇ０４
現場金相檢驗技術是相對于實驗室內的金相檢 驗而言的,它通過在現場對受檢材料表面進行磨制、 拋光、腐蝕顯示出其顯微組織后,使用現場金相顯微 鏡進行顯微組織觀察,或通過現場圖像采集設備,金 相復型后至實驗室觀察分析的一種試驗方法[１].該 技術適用于動力系統、石化工業過程裝備的制造、安 裝及長期運行過程中,可按照 DL/T６５２－１９９８«金 相復型技術工藝導則»的要求,在現場對常用鋼材 (碳素鋼、低合金珠光體鋼、合金結構鋼、馬氏體鋼、 奧氏體 鋼 等)金 屬 部 件 進 行 非 破 壞 性 的 微 觀 組 織 檢驗.
現場金相檢驗技術對受檢部件無明顯破壞,可 保全受檢部件的使用性能,具有獨特的技術優勢[２], 解決了大型工件及在役過程裝備無法取樣至實驗室 進行顯微組織觀察的問題;利用該技術可方便地了 解現場設備部件材料的組織形態及分布情況,可應 用于金屬材料熱處理質量檢查及高溫使用中組織性 能的評價,已成為國際通用的試驗方法.
目前,筆者單位主要使用的現場金相觀察及圖 像采集的設備有日本達柯 DSMＧIIIＧ１０４型現場金相 顯微鏡和徐州豪立 DMＧ０１型現場金相檢查儀,按照 DL/T６５２－１９９８標準應用金相復型技術采集顯微 組織形貌至實驗室判定.但在近年承接的現場金相 檢驗項目中,出現了個別由于檢測人員忽視某些因 素而導致顯微組織判斷存在偏差的案例,這些案例 中有些誤判結果可能會嚴重影響到客戶的決策.為 此,筆者通過對這些案例的闡述及原因分析,總結經 驗教訓,制定相應對策以避免誤判的再次發生,同時 為檢驗人員提供參考,進一步提高現場金相檢驗的 準確性與可靠性.
１ 誤判案例及原因分析
１．１ 電廠汽輪機導汽管表面脫碳導致的誤判
(１)案例介紹
某電廠委托對規格為?１１４mm×１８mm,材料 為１２Cr１MoVG 鋼的汽輪機主汽門在役導汽管進行 現場顯微組織分析.檢驗人員首先對導汽管表面去 除氧化層,再對分析表面進行磨制、拋光、腐蝕,通過 現場金相顯微鏡觀察顯微組織后現場采集圖像,判 定該導汽管的顯微組織中珠光體形態已完全消失, 如圖 １ 所 示,按 照 DL/T ７７３－２００１«火 電 廠 用 １２Cr１MoV 鋼球化評級標準»評定,顯微組織中珠光 體的平均球化度達到５級,屬于嚴重球化.
客戶據此結論認為導汽管材料已嚴重劣化應更 換.切割下的導汽管在實驗室制取厚度方向橫截面 金相試樣進行觀察,發現該導汽管外表面存在脫碳 現象,去除脫碳層后觀察顯微組織為鐵素體＋珠光 體,珠光體內碳化物雖已開始分散但依然致密,如 圖２所示.按照 DL/T７７３－２００１評定所檢部位的 顯微組織珠光體平均球化度為２級,屬輕度球化. 測量完全脫碳層深度約為０．５mm,由于其輕度球化 組織所占厚度大于其有效壁厚,如圖３所示,因此該 導汽管可以繼續服役.
(２)分析與討論
厚壁管的制造工藝多為熱軋,這種制造方式會 導致內外表面存在脫碳層,按照 GB５３１０－２００８«高 壓鍋爐用無縫鋼管»第６．１１條規定:“成品鋼管的外 表面全脫碳層深度應不大于０．３mm,內表面脫碳層 厚 度 應 不 大 于 ０．４ mm,兩 者 之 和 應 不 大 于 ０．６mm”.而經由直管加工的厚壁彎頭、彎管、接頭 等管件,在熱成型過程中其表面脫碳層厚度會繼續 增大.上述案例中的檢驗人員實際是對部件表面脫 碳層進行了顯微組織分析及判定,導致誤判了其真 實的顯微組織.當所檢部件金屬在原始生產過程 中,或在高溫、有機物富集等工況環境下出現表面脫 碳、滲碳等情況,而檢測機構對此估計不足時,會造 成對在役部件顯微組織“以表代里”式的誤判.
１．２ 水冷壁管壁厚方向珠光體球化程度不一致導 致的誤判
(１)案例介紹
某電廠委托對其鍋爐出現爆管的１號爐水冷壁 管(規格為?６０mm×５mm,材料為２０G,鍋爐用無 縫鋼管)進行了現場金相檢驗,然后再割樣送至實驗 室進行分析.通過壁厚方向金相觀察發現,水冷壁 管的顯微組織均為鐵素體＋珠光體,但在水冷壁管 截面偏外表面視場的珠光體區域中,碳化物已分散 并逐漸向晶界擴散,珠光體形態較為明顯,珠光體平 均球化度為３級,如圖４所示;而管壁內側截面珠光 體區域中的碳化物雖已開始分散,但珠光體形態明 顯,珠光體平均球化度為２級,如圖５所示.
(２)分析與討論
原始顯微組織一致的爐管,由于使用中在壁厚方 向存在管內外溫差梯度,長期運行后在壁厚方向的顯 微組織變化相應會呈現一定的梯度.按客戶要求僅 在外表面進行現場金相檢驗,如高溫作用于部件外側 (如加熱爐爐管),則對外表面顯微組織劣化程度的評定結論相對于整體壁厚來說會偏重;而如高溫作用于 部件內側(如蒸汽管線),則就外表面顯微組織劣化程 度的評定結論相對于整體壁厚來說會偏輕.此時,外 表面顯微組織的評定結論與部件整體壁厚方向顯微 組織劣化程度的平均水平會有一定偏差,并且這種偏 差隨著部件內外壁溫差的增大而加劇.
１．３ 放大倍數不夠導致的反應器外壁碳化物類型 判斷偏差
(１)案例介紹
某煉油廠加氫裂化車間委托對其裂化反應器進行 現場金相檢驗,指定分析部位為反應器下封頭外壁. 封頭外壁基層壁厚為８４mm,材料為２．２５Cr１Mo０．２５V 鋼.現場觀察到的顯微組織如圖６所示,可見碳化 物形態較為細密彌散.檢驗人員初步判斷該顯微組 織構成為鐵素體＋珠光體,據此判斷珠光體內碳化 物已向晶界彌散,珠光體區域已不明顯,珠光體平均 球化度達３．５ 級,介于中度球化與完全球化之間. 但對 所 檢 部 位 進 行 硬 度 測 量 的 結 果 為 １６３~ １６９HBHLD,在正常范圍內.
檢驗人員進一步查閱了反應器的制造竣工資 料,資料顯示該反應器外壁最終熱處理為高溫鍛造 后６８０~７２０℃回火(目的是使材料具備較好的強度和韌性),而不是壓力容器鋼板常見的正火處理.資 料顯示基體的顯微組織構成為鐵素體＋粒狀貝氏 體,其高溫劣化機制并不是珠光體內碳化物的分解. 而由圖６可知,該部位顯微組織未發生明顯劣化.
(２)分析與討論
現場 金 相 顯 微 鏡 的 最 大 物 理 放 大 倍 數 僅 為 ４００倍.由于振動、非平面等因素,現場不支持使用 更高倍數的鏡頭進行觀察,因此對于某些顯微組織 的形貌細節較難分辨.該案例中的碳化物在６００倍 以上觀察才能區分出是彌散碳化物顆粒,還是細小 但呈中空形貌的粒狀貝氏體.對于一些調質處理的 回火索氏體、屈氏體組織以及羽毛狀上貝氏體等形 態細密組織,往往需要６００~１０００倍的物理放大倍 率進行觀察識別,此時現場金相顯微鏡及金相復型 方法的分辨能力已不能勝任.
１．４ 現場作業空間中的灰塵導致的誤判
(１)案例介紹
圖７ 附著灰塵的爐管外壁顯微組織復型 某煉油廠委托對其重整裝置加熱爐爐管進行現 場金相檢驗,評定該爐管的珠光體平均球化度,爐管 的材料為１Cr５Mo鋼.在現場金相檢驗作業時,細 密的爐灰彌漫爐腔,剛剛沖洗制備好的爐管表面立即 會吸附大量灰塵,復型后的顯微組織如圖７所示.檢 驗人員評定該爐管表面的顯微組織為鐵素體＋珠光體,且珠光體中的碳化物已分解并大量向晶界彌散.
在檢驗過程中,檢驗人員需盡力排除復型上吸 附的灰塵對珠光體中實際彌散于晶界上的碳化物觀 察的干擾.經過仔細聚焦觀察,根據 DL/T７８７－ ２００１«火電廠用１５CrMo鋼珠光體球化評級標準», 評定所檢部位母材的顯微組織珠光體平均球化度為 ４級,屬于中度球化.
(２)分析與討論
在石化工業和動力裝置的現場金相檢驗作業 中,絕大多數是對加熱爐爐管、高溫部件進行材料劣 化檢查,因此多為爐腔等有限空間作業.作業空間 中不可避免地彌散有大量的爐灰、催化劑以及石棉 等絕熱材料的懸浮顆粒,這些顆粒大小不一,不僅易 于造成試樣制備時的劃痕,且對于剛剛沖洗制備好 的金相試樣檢測表面有很強的附著性,繼而會對檢 驗人員的現場觀察及金相復型造成干擾.對于廣泛 使用的珠光體型耐熱鋼,其顯微組織劣化的主要機 制為珠光體內的碳化物在高溫下逐漸分解成細小的 球粒狀碳化物,并彌散于晶界上.因此,檢驗人員必 須對珠光體內分解出的彌散碳化物與附著的環境灰 塵加以區分.對于珠光體未發生明顯球化的組織以 及尺寸較大、明顯可判斷為灰塵的顆粒,檢驗人員較 易排除灰塵的干擾;但對于珠光體已發生明顯球化 且細小灰塵顆粒大量附著的顯微組織,則在實際檢 驗中較難區分,需要仔細辨別.
２ 改進措施
基于以上誤判案例以及多年工作經驗,歸納總 結出如下改進措施:
(１)檢測機構應盡量收集客戶委托檢測部件的 役前資料,包括檢測部位的材料、最終熱處理方式等 信息,增加對檢測部件是否可能存在脫碳(滲碳)層 及顯微組織構成的了解.
(２)對于可能存在脫碳(滲碳)層的部件,檢驗 人員應使用計量檢定合格、性能有保證的超聲波測 厚儀測量脫碳(滲碳)層厚度,確保磨制后的剩余壁 厚大于有效壁厚的情況下,對部件磨制一定深度后 再進行金相檢驗,或在對顯微組織有疑問時加大打 磨力度,比較深淺不同的兩個厚度截面的顯微組織 是否一致.
(３)在金相檢驗報告中的適當位置需注明“根 據客戶委托,本次現場金相檢驗部位為客戶指定部 件表面,因此顯微組織分析結論僅對所檢部位表面負責;客戶應考慮檢測部件存在脫碳(滲碳)現象時 造成顯微組織檢測結論偏差的可能.”和“由于本次 現場金相檢驗只能分析到部件表面的顯微組織,未 能檢查部件的厚度截面,客戶應考慮壁厚方向組織 變化程度不一致的可能性.”通過這些提醒使客戶對 可能產生的分析部位表面現場金相檢驗結論與部件 整體金相檢驗結論存在差異有知情權,同時建議客 戶在取樣時應盡量考慮到壁厚截面的整體顯微組 織,避免為客戶帶來不必要的經濟損失,為雙方規避 僅在表面檢測可能帶來的技術風險.
(４)當現場金相檢驗觀察到的顯微組織有無法 辨識清楚的細節問題時,應謹慎進行顯微組織判定, 應綜合考慮所檢部位的材料、最終熱處理方式、使用 工況及現場分析得出的顯微組織結論,并結合相圖 綜合判斷材料的顯微組織是否發生劣化.
(５)檢驗人員在惡劣環境下進行現場金相檢驗 時,應通過熟練操作縮短腐蝕沖洗試樣表面后觀察 及復型的時間,從而縮短灰塵附著的時間;在現場金 相觀察及對金相復型進行觀察時,可通過對晶界的 反復聚焦及景深觀察,盡量排除附著灰塵對珠光體 分解出的彌散碳化物觀察的影響,再結合材料化學 成分中的碳含量、已用工時等因素綜合判斷顯微組 織劣化情況.
３ 結論
綜上所述,筆者就現場金相檢驗與實驗室金相 檢驗的區別,以及對應導致技術風險的原因概括為 以下４個因素.
３．１ 表面因素 現場金相檢驗往往會導致分析結論僅針對于被 檢區域試樣表面,而不能代表部件的整體.當檢測 部件存在脫碳、滲碳等表面因素時,“管中窺豹、盲人 摸象”的技術風險更加突出.檢測機構必須在檢測 報告中對客戶闡明這種技術風險.
３．２ 壁厚因素 根據受檢部件的不同工況,部件內外壁的溫差 會造成壁厚方向顯微組織劣化程度的差異,在現場 金相檢驗時應根據實際工況加以考慮,并在檢測報 告中對客戶闡明這種技術風險.
３．３ 環境因素 現場金相檢驗與實驗室取樣分析相比作業環境 惡劣.檢驗人員應考慮灰塵、環境溫度、振動等對現場金相檢驗工藝及現場金相圖像采集、金相復型的 影響,并在顯微組織判斷時盡量排除這些影響.
３．４ 現場設備能力因素 現場金相顯微鏡及金相復型技術對于細密顯微 組織的觀察及圖像采集分辨能力有限,檢驗人員應 考慮該方面的技術風險.
檢驗人員應在開展現場金相檢驗及顯微組織判 斷時,對以上４個方面的因素加以綜合考慮,防止忽 略這些因素造成的最終顯微組織判斷偏差及其所帶 來的技術風險.
參考文獻:
[１] 田曉璇,肖國華,曹劍峰,等．P９１鋼現場快速金相檢 驗方法[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１５,５１(１２):８６７Ｇ ８６９．
[２] 謝汝良．現場金相復膜紙的制作方法與技巧[J]．理化 檢驗(物理分冊),２０１８,５４(２):１１９Ｇ１２１．
文章來源——材料與測試網