摘 要:通過分析現(xiàn)場金相檢驗誤判案例,概況總結(jié)了可能導(dǎo)致現(xiàn)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(xiàn)場金相檢驗誤判必須考慮的因素.提出檢驗人員在開展現(xiàn)場金 相檢驗及顯微組織判斷時,應(yīng)對所檢材料表面狀況、壁厚、環(huán)境、現(xiàn)場設(shè)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(shù)風(fēng)險.
關(guān)鍵詞:現(xiàn)場金相檢驗;案例;顯微組織;壁厚;環(huán)境;設(shè)備
中圖分類號:TG１１５．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６３９Ｇ０４
現(xiàn)場金相檢驗技術(shù)是相對于實驗室內(nèi)的金相檢 驗而言的,它通過在現(xiàn)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(xiàn)場金相顯微 鏡進行顯微組織觀察,或通過現(xiàn)場圖像采集設(shè)備,金 相復(fù)型后至實驗室觀察分析的一種試驗方法[１].該 技術(shù)適用于動力系統(tǒng)、石化工業(yè)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(fù)型技術(shù)工藝導(dǎo)則»的要求,在現(xiàn)場對常用鋼材 (碳素鋼、低合金珠光體鋼、合金結(jié)構(gòu)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(xiàn)場金相檢驗技術(shù)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(shù)優(yōu)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(shù)可方便地了 解現(xiàn)場設(shè)備部件材料的組織形態(tài)及分布情況,可應(yīng) 用于金屬材料熱處理質(zhì)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(xiàn)場金相觀察及圖 像采集的設(shè)備有日本達(dá)柯 DSMＧIIIＧ１０４型現(xiàn)場金相 顯微鏡和徐州豪立 DMＧ０１型現(xiàn)場金相檢查儀,按照 DL/T６５２－１９９８標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用金相復(fù)型技術(shù)采集顯微 組織形貌至實驗室判定.但在近年承接的現(xiàn)場金相 檢驗項目中,出現(xiàn)了個別由于檢測人員忽視某些因 素而導(dǎo)致顯微組織判斷存在偏差的案例,這些案例 中有些誤判結(jié)果可能會嚴(yán)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(jié)經(jīng) 驗教訓(xùn),制定相應(yīng)對策以避免誤判的再次發(fā)生,同時 為檢驗人員提供參考,進一步提高現(xiàn)場金相檢驗的 準(zhǔn)確性與可靠性.
１ 誤判案例及原因分析
１．１ 電廠汽輪機導(dǎo)汽管表面脫碳導(dǎo)致的誤判
(１)案例介紹
某電廠委托對規(guī)格為?１１４mm×１８mm,材料 為１２Cr１MoVG 鋼的汽輪機主汽門在役導(dǎo)汽管進行 現(xiàn)場顯微組織分析.檢驗人員首先對導(dǎo)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(xiàn)場金相顯微鏡觀察顯微組織后現(xiàn)場采集圖像,判 定該導(dǎo)汽管的顯微組織中珠光體形態(tài)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(biāo)準(zhǔn)»評定,顯微組織中珠光 體的平均球化度達(dá)到５級,屬于嚴(yán)重球化.
客戶據(jù)此結(jié)論認(rèn)為導(dǎo)汽管材料已嚴(yán)重劣化應(yīng)更 換.切割下的導(dǎo)汽管在實驗室制取厚度方向橫截面 金相試樣進行觀察,發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)汽管外表面存在脫碳 現(xiàn)象,去除脫碳層后觀察顯微組織為鐵素體＋珠光 體,珠光體內(nèi)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(dǎo)汽管可以繼續(xù)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(dǎo)致內(nèi)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(guī)定:“成品鋼管的外 表面全脫碳層深度應(yīng)不大于０．３mm,內(nèi)表面脫碳層 厚 度 應(yīng) 不 大 于 ０．４ mm,兩 者 之 和 應(yīng) 不 大 于 ０．６mm”.而經(jīng)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(xù) 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(dǎo)致誤判了其真 實的顯微組織.當(dāng)所檢部件金屬在原始生產(chǎn)過程 中,或在高溫、有機物富集等工況環(huán)境下出現(xiàn)表面脫 碳、滲碳等情況,而檢測機構(gòu)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(dǎo) 致的誤判
(１)案例介紹
某電廠委托對其鍋爐出現(xiàn)爆管的１號爐水冷壁 管(規(guī)格為?６０mm×５mm,材料為２０G,鍋爐用無 縫鋼管)進行了現(xiàn)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(fā)現(xiàn),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(qū)域中,碳化物已分散 并逐漸向晶界擴散,珠光體形態(tài)較為明顯,珠光體平 均球化度為３級,如圖４所示;而管壁內(nèi)側(cè)截面珠光 體區(qū)域中的碳化物雖已開始分散,但珠光體形態(tài)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(nèi)外溫差梯度,長期運行后在壁厚方向的顯 微組織變化相應(yīng)會呈現(xiàn)一定的梯度.按客戶要求僅 在外表面進行現(xiàn)場金相檢驗,如高溫作用于部件外側(cè) (如加熱爐爐管),則對外表面顯微組織劣化程度的評定結(jié)論相對于整體壁厚來說會偏重;而如高溫作用于 部件內(nèi)側(cè)(如蒸汽管線),則就外表面顯微組織劣化程 度的評定結(jié)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(jié)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(nèi)外壁溫差的增大而加劇.
１．３ 放大倍數(shù)不夠?qū)е碌姆磻?yīng)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(yīng)器進行 現(xiàn)場金相檢驗,指定分析部位為反應(yīng)器下封頭外壁. 封頭外壁基層壁厚為８４mm,材料為２．２５Cr１Mo０．２５V 鋼.現(xiàn)場觀察到的顯微組織如圖６所示,可見碳化 物形態(tài)較為細(xì)密彌散.檢驗人員初步判斷該顯微組 織構(gòu)成為鐵素體＋珠光體,據(jù)此判斷珠光體內(nèi)碳化 物已向晶界彌散,珠光體區(qū)域已不明顯,珠光體平均 球化度達(dá)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(jié) 果 為 １６３~ １６９HBHLD,在正常范圍內(nèi).
檢驗人員進一步查閱了反應(yīng)器的制造竣工資 料,資料顯示該反應(yīng)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(gòu)成為鐵素體＋粒狀貝氏 體,其高溫劣化機制并不是珠光體內(nèi)碳化物的分解. 而由圖６可知,該部位顯微組織未發(fā)生明顯劣化.
(２)分析與討論
現(xiàn)場 金 相 顯 微 鏡 的 最 大 物 理 放 大 倍 數(shù) 僅 為 ４００倍.由于振動、非平面等因素,現(xiàn)場不支持使用 更高倍數(shù)的鏡頭進行觀察,因此對于某些顯微組織 的形貌細(xì)節(jié)較難分辨.該案例中的碳化物在６００倍 以上觀察才能區(qū)分出是彌散碳化物顆粒,還是細(xì)小 但呈中空形貌的粒狀貝氏體.對于一些調(diào)質(zhì)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(tài)細(xì)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(xiàn)場金相顯微鏡及金相復(fù)型 方法的分辨能力已不能勝任.
１．４ 現(xiàn)場作業(yè)空間中的灰塵導(dǎo)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(fù)型 某煉油廠委托對其重整裝置加熱爐爐管進行現(xiàn) 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(xiàn)場金相檢驗作業(yè)時,細(xì) 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(fù)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(fù)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(jīng)過仔細(xì)聚焦觀察,根據(jù) DL/T７８７－ ２００１«火電廠用１５CrMo鋼珠光體球化評級標(biāo)準(zhǔn)», 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(yè)和動力裝置的現(xiàn)場金相檢驗作業(yè) 中,絕大多數(shù)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(yè).作業(yè)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(xiàn)場觀察及金相復(fù)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(nèi)的碳化物在高溫下逐漸分解成細(xì)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(nèi)分解出的彌散碳化物與附著的環(huán)境灰 塵加以區(qū)分.對于珠光體未發(fā)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(fā)生明顯球化 且細(xì)小灰塵顆粒大量附著的顯微組織,則在實際檢 驗中較難區(qū)分,需要仔細(xì)辨別.
２ 改進措施
基于以上誤判案例以及多年工作經(jīng)驗,歸納總 結(jié)出如下改進措施:
(１)檢測機構(gòu)應(yīng)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(gòu)成的了解.
(２)對于可能存在脫碳(滲碳)層的部件,檢驗 人員應(yīng)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(dāng)位置需注明“根 據(jù)客戶委托,本次現(xiàn)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(jié)論僅對所檢部位表面負(fù)責(zé);客戶應(yīng)考慮檢測部件存在脫碳(滲碳)現(xiàn)象時 造成顯微組織檢測結(jié)論偏差的可能.”和“由于本次 現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生的分析部位表面現(xiàn)場金相檢驗結(jié)論與部件 整體金相檢驗結(jié)論存在差異有知情權(quán),同時建議客 戶在取樣時應(yīng)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(jīng)濟損失,為雙方規(guī)避 僅在表面檢測可能帶來的技術(shù)風(fēng)險.
(４)當(dāng)現(xiàn)場金相檢驗觀察到的顯微組織有無法 辨識清楚的細(xì)節(jié)問題時,應(yīng)謹(jǐn)慎進行顯微組織判定, 應(yīng)綜合考慮所檢部位的材料、最終熱處理方式、使用 工況及現(xiàn)場分析得出的顯微組織結(jié)論,并結(jié)合相圖 綜合判斷材料的顯微組織是否發(fā)生劣化.
(５)檢驗人員在惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場金相檢驗 時,應(yīng)通過熟練操作縮短腐蝕沖洗試樣表面后觀察 及復(fù)型的時間,從而縮短灰塵附著的時間;在現(xiàn)場金 相觀察及對金相復(fù)型進行觀察時,可通過對晶界的 反復(fù)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(jié)合材料化學(xué) 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(jié)論
綜上所述,筆者就現(xiàn)場金相檢驗與實驗室金相 檢驗的區(qū)別,以及對應(yīng)導(dǎo)致技術(shù)風(fēng)險的原因概括為 以下４個因素.
３．１ 表面因素 現(xiàn)場金相檢驗往往會導(dǎo)致分析結(jié)論僅針對于被 檢區(qū)域試樣表面,而不能代表部件的整體.當(dāng)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(shù)風(fēng)險更加突出.檢測機構(gòu)必須在檢測 報告中對客戶闡明這種技術(shù)風(fēng)險.
３．２ 壁厚因素 根據(jù)受檢部件的不同工況,部件內(nèi)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(xiàn)場 金相檢驗時應(yīng)根據(jù)實際工況加以考慮,并在檢測報 告中對客戶闡明這種技術(shù)風(fēng)險.
３．３ 環(huán)境因素 現(xiàn)場金相檢驗與實驗室取樣分析相比作業(yè)環(huán)境 惡劣.檢驗人員應(yīng)考慮灰塵、環(huán)境溫度、振動等對現(xiàn)場金相檢驗工藝及現(xiàn)場金相圖像采集、金相復(fù)型的 影響,并在顯微組織判斷時盡量排除這些影響.
３．４ 現(xiàn)場設(shè)備能力因素 現(xiàn)場金相顯微鏡及金相復(fù)型技術(shù)對于細(xì)密顯微 組織的觀察及圖像采集分辨能力有限,檢驗人員應(yīng) 考慮該方面的技術(shù)風(fēng)險.
檢驗人員應(yīng)在開展現(xiàn)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(shù)風(fēng)險.
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文章來源——材料與測試網(wǎng)