分享：現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)技術(shù)及誤判案例分析

摘 要:通過分析現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)誤判案例,概況總結(jié)了可能導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)誤判的原因,并提 出了改進(jìn)措施,最后歸納出防止現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)誤判必須考慮的因素.提出檢驗(yàn)人員在開展現(xiàn)場(chǎng)金 相檢驗(yàn)及顯微組織判斷時(shí),應(yīng)對(duì)所檢材料表面狀況、壁厚、環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn).

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn);案例;顯微組織;壁厚;環(huán)境;設(shè)備

中圖分類號(hào):TG１１５．２１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６３９Ｇ０４

現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)技術(shù)是相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的金相檢 驗(yàn)而言的,它通過在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)受檢材料表面進(jìn)行磨制、 拋光、腐蝕顯示出其顯微組織后,使用現(xiàn)場(chǎng)金相顯微 鏡進(jìn)行顯微組織觀察,或通過現(xiàn)場(chǎng)圖像采集設(shè)備,金 相復(fù)型后至實(shí)驗(yàn)室觀察分析的一種試驗(yàn)方法[１].該 技術(shù)適用于動(dòng)力系統(tǒng)、石化工業(yè)過程裝備的制造、安 裝及長(zhǎng)期運(yùn)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(chǎng)對(duì)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(jìn) 行 非 破 壞 性 的 微 觀 組 織 檢驗(yàn).

現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)受檢部件無明顯破壞,可 保全受檢部件的使用性能,具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[２], 解決了大型工件及在役過程裝備無法取樣至實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)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(chǎng)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(píng)價(jià),已成為國(guó)際通用的試驗(yàn)方法.

目前,筆者單位主要使用的現(xiàn)場(chǎng)金相觀察及圖 像采集的設(shè)備有日本達(dá)柯 DSMＧIIIＧ１０４型現(xiàn)場(chǎng)金相 顯微鏡和徐州豪立 DMＧ０１型現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室判定.但在近年承接的現(xiàn)場(chǎng)金相 檢驗(yàn)項(xiàng)目中,出現(xiàn)了個(gè)別由于檢測(cè)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(huì)嚴(yán)重影響到客戶的決策.為 此,筆者通過對(duì)這些案例的闡述及原因分析,總結(jié)經(jīng) 驗(yàn)教訓(xùn),制定相應(yīng)對(duì)策以避免誤判的再次發(fā)生,同時(shí) 為檢驗(yàn)人員提供參考,進(jìn)一步提高現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)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(jī)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(duì)規(guī)格為?１１４mm×１８mm,材料 為１２Cr１MoVG 鋼的汽輪機(jī)主汽門在役導(dǎo)汽管進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)顯微組織分析.檢驗(yàn)人員首先對(duì)導(dǎo)汽管表面去 除氧化層,再對(duì)分析表面進(jìn)行磨制、拋光、腐蝕,通過 現(xiàn)場(chǎng)金相顯微鏡觀察顯微組織后現(xiàn)場(chǎng)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(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)»評(píng)定,顯微組織中珠光 體的平均球化度達(dá)到５級(jí),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(shí)驗(yàn)室制取厚度方向橫截面 金相試樣進(jìn)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(píng)定所檢部位的 顯微組織珠光體平均球化度為２級(jí),屬輕度球化. 測(cè)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(huì) 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(huì)繼續(xù) 增大.上述案例中的檢驗(yàn)人員實(shí)際是對(duì)部件表面脫 碳層進(jìn)行了顯微組織分析及判定,導(dǎo)致誤判了其真 實(shí)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(jī)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(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)此估計(jì)不足時(shí),會(huì)造 成對(duì)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(duì)其鍋爐出現(xiàn)爆管的１號(hào)爐水冷壁 管(規(guī)格為?６０mm×５mm,材料為２０G,鍋爐用無 縫鋼管)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn),然后再割樣送至實(shí)驗(yàn) 室進(jìn)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(chǎng)的珠光體區(qū)域中,碳化物已分散 并逐漸向晶界擴(kuò)散,珠光體形態(tài)較為明顯,珠光體平 均球化度為３級(jí),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(jí),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(zhǎng)期運(yùn)行后在壁厚方向的顯 微組織變化相應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)一定的梯度.按客戶要求僅 在外表面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn),如高溫作用于部件外側(cè) (如加熱爐爐管),則對(duì)外表面顯微組織劣化程度的評(píng)定結(jié)論相對(duì)于整體壁厚來說會(huì)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(píng)定結(jié)論相對(duì)于整體壁厚來說會(huì)偏輕.此時(shí),外 表面顯微組織的評(píng)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(huì)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(duì)其裂化反應(yīng)器進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn),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(chǎng)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(yàn)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(jí),介于中度球化與完全球化之間. 但對(duì) 所 檢 部 位 進(jìn) 行 硬 度 測(cè) 量 的 結(jié) 果 為 １６３~ １６９HBHLD,在正常范圍內(nèi).

檢驗(yàn)人員進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(chǎng) 金 相 顯 微 鏡 的 最 大 物 理 放 大 倍 數(shù) 僅 為 ４００倍.由于振動(dòng)、非平面等因素,現(xiàn)場(chǎng)不支持使用 更高倍數(shù)的鏡頭進(jìn)行觀察,因此對(duì)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(duì)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(jìn)行觀察識(shí)別,此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(duì)其重整裝置加熱爐爐管進(jìn)行現(xiàn) 場(chǎng)金相檢驗(yàn),評(píng)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(chǎng)金相檢驗(yàn)作業(yè)時(shí),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(huì)吸附大量灰塵,復(fù)型后的顯微組織如圖７所示.檢 驗(yàn)人員評(píng)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(yàn)過程中,檢驗(yàn)人員需盡力排除復(fù)型上吸 附的灰塵對(duì)珠光體中實(shí)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(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)», 評(píng)定所檢部位母材的顯微組織珠光體平均球化度為 ４級(jí),屬于中度球化.

(２)分析與討論

在石化工業(yè)和動(dòng)力裝置的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)作業(yè) 中,絕大多數(shù)是對(duì)加熱爐爐管、高溫部件進(jìn)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(shí)的劃痕,且對(duì)于剛剛沖洗制備好 的金相試樣檢測(cè)表面有很強(qiáng)的附著性,繼而會(huì)對(duì)檢 驗(yàn)人員的現(xiàn)場(chǎng)觀察及金相復(fù)型造成干擾.對(duì)于廣泛 使用的珠光體型耐熱鋼,其顯微組織劣化的主要機(jī) 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(yàn)人員必 須對(duì)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(duì)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(yàn)人員較 易排除灰塵的干擾;但對(duì)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(shí)際檢 驗(yàn)中較難區(qū)分,需要仔細(xì)辨別.

２ 改進(jìn)措施

基于以上誤判案例以及多年工作經(jīng)驗(yàn),歸納總 結(jié)出如下改進(jìn)措施:

(１)檢測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量收集客戶委托檢測(cè)部件的 役前資料,包括檢測(cè)部位的材料、最終熱處理方式等 信息,增加對(duì)檢測(cè)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(duì)于可能存在脫碳(滲碳)層的部件,檢驗(yàn) 人員應(yīng)使用計(jì)量檢定合格、性能有保證的超聲波測(cè) 厚儀測(cè)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(duì)部件磨制一定深度后 再進(jìn)行金相檢驗(yàn),或在對(duì)顯微組織有疑問時(shí)加大打 磨力度,比較深淺不同的兩個(gè)厚度截面的顯微組織 是否一致.

(３)在金相檢驗(yàn)報(bào)告中的適當(dāng)位置需注明“根 據(jù)客戶委托,本次現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)部位為客戶指定部 件表面,因此顯微組織分析結(jié)論僅對(duì)所檢部位表面負(fù)責(zé);客戶應(yīng)考慮檢測(cè)部件存在脫碳(滲碳)現(xiàn)象時(shí) 造成顯微組織檢測(cè)結(jié)論偏差的可能.”和“由于本次 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)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(duì) 可能產(chǎn)生的分析部位表面現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)結(jié)論與部件 整體金相檢驗(yàn)結(jié)論存在差異有知情權(quán),同時(shí)建議客 戶在取樣時(shí)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(jì)損失,為雙方規(guī)避 僅在表面檢測(cè)可能帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn).

(４)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)觀察到的顯微組織有無法 辨識(shí)清楚的細(xì)節(jié)問題時(shí),應(yīng)謹(jǐn)慎進(jìn)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(chǎng)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(yàn)人員在惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn) 時(shí),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(shí)間,從而縮短灰塵附著的時(shí)間;在現(xiàn)場(chǎng)金 相觀察及對(duì)金相復(fù)型進(jìn)行觀察時(shí),可通過對(duì)晶界的 反復(fù)聚焦及景深觀察,盡量排除附著灰塵對(duì)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(shí)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(chǎng)金相檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室金相 檢驗(yàn)的區(qū)別,以及對(duì)應(yīng)導(dǎo)致技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的原因概括為 以下４個(gè)因素.

３．１ 表面因素 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)往往會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)論僅針對(duì)于被 檢區(qū)域試樣表面,而不能代表部件的整體.當(dāng)檢測(cè) 部件存在脫碳、滲碳等表面因素時(shí),“管中窺豹、盲人 摸象”的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更加突出.檢測(cè)機(jī)構(gòu)必須在檢測(cè) 報(bào)告中對(duì)客戶闡明這種技術(shù)風(fēng)險(xiǎn).

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(huì)造成壁厚方向顯微組織劣化程度的差異,在現(xiàn)場(chǎng) 金相檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況加以考慮,并在檢測(cè)報(bào) 告中對(duì)客戶闡明這種技術(shù)風(fēng)險(xiǎn).

３．３ 環(huán)境因素 現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室取樣分析相比作業(yè)環(huán)境 惡劣.檢驗(yàn)人員應(yīng)考慮灰塵、環(huán)境溫度、振動(dòng)等對(duì)現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)工藝及現(xiàn)場(chǎng)金相圖像采集、金相復(fù)型的 影響,并在顯微組織判斷時(shí)盡量排除這些影響.

３．４ 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能力因素 現(xiàn)場(chǎng)金相顯微鏡及金相復(fù)型技術(shù)對(duì)于細(xì)密顯微 組織的觀察及圖像采集分辨能力有限,檢驗(yàn)人員應(yīng) 考慮該方面的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn).

檢驗(yàn)人員應(yīng)在開展現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)及顯微組織判 斷時(shí),對(duì)以上４個(gè)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(xiǎn).

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文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)