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嘉峪檢測網 2019-09-27 10:30
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。
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，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。
但是，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，為此，本文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。
誤判案例及原因分析
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。
圖1 現場金相檢驗得到導汽管外表面的顯微組織
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。
圖2 實驗室檢驗得到導汽管厚度截面顯微組織
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。
圖3 實驗室檢驗得到沿導汽管厚度方向的顯微組織
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GB 5310-2008«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0.4mm，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。
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。
圖4 實驗室檢驗得到水冷壁管外表面顯微組織
圖5 實驗室檢驗得到水冷壁管內表面顯微組織
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。
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。
圖6 現場金相檢驗得到反應器下封頭的顯微組織
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。
現場作業空間中的灰塵導致的誤判
1、案例介紹
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。
圖7 附著灰塵的爐管外壁顯微組織復型
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/T 787-2001«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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
作者：張雪濤，高級工程師，獨山子石化公司研究院
來源：張雪濤理化檢驗
