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现场金相检验技术及误判案例分析

发布时间:2019-11-19

现场金相检验技术是相对于实验室内的金相检验而言的,它通过在现场对受检材料表面进行磨制、抛光、腐蚀显示出其显微组织后,使用现场金相显微镜进行显微组织观察,或通过现场图像采集设备,金相复型后至实验室观察分析的一种试验方法。

现场金相检验技术对受检部件无明显破坏,可保全受检部件的使用性能,具有独特的技术优势,解决了大型工件及在役过程装备无法取样至实验室进行显微组织观察的问题;利用该技术可方便地了解现场设备部件材料的组织形态及分布情况,可应用于金属材料热处理质量检查及高温使用中组织性能的评价,已成为国际通用的试验方法。

但是,在近年承接的现场金相检验项目中,出现了个别由于检测人员忽视某些因素而导致显微组织判断存在偏差的案例,为此,本文通过对这些案例的阐述及原因分析,总结经验教训,制定相应对策以避免误判的再次发生。

误判案例及原因分析

电厂汽轮机导汽管表面脱碳导致的误判

1案例介绍

某电厂委托对规格为ϕ114mm×18mm,材料为12Cr1MoVG钢的汽轮机主汽门在役导汽管进行现场显微组织分析。检验人员首先对导汽管表面去除氧化层,再对分析表面进行磨制、抛光、腐蚀,通过现场金相显微镜观察显微组织后现场采集图像,判定该导汽管的显微组织中珠光体形态已完全消失,如图1所示,按照DL/T 773-2001«火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准»评定,显微组织中珠光体的平均球化度达到5级,属于严重球化。

切割下的导汽管在实验室制取厚度方向横截面金相试样进行观察,发现该导汽管外表面存在脱碳现象,去除脱碳层后观察显微组织为铁素体+珠光体,珠光体内碳化物虽已开始分散但依然致密,如图2所示。

按照DL/T773-2001评定所检部位的显微组织珠光体平均球化度为2级,属轻度球化。测量完全脱碳层深度约为0.5mm,由于其轻度球化组织所占厚度大于其有效壁厚,如图3所示,因此该导汽管可以继续服役。

2分析与讨论

厚壁管的制造工艺多为热轧,这种制造方式会导致内外表面存在脱碳层,按照GB 5310-2008«高压锅炉用无缝钢管»第6.11条规定:“成品钢管的外表面全脱碳层深度应不大于0.3mm,内表面脱碳层厚度应不大于0.4mm,两者之和应不大于0.6mm”。而经由直管加工的厚壁弯头、弯管、接头等管件,在热成型过程中其表面脱碳层厚度会继续增大。上述案例中的检验人员实际是对部件表面脱碳层进行了显微组织分析及判定,导致误判了其真实的显微组织。当所检部件金属在原始生产过程中,或在高温、有机物富集等工况环境下出现表面脱碳、渗碳等情况,而检测机构对此估计不足时,会造成对在役部件显微组织“以表代里”式的误判。

水冷壁管壁厚方向珠光体球化程度不一致导致的误判

1案例介绍

某电厂委托对其锅炉出现爆管的1号炉水冷壁管(规格为ϕ60mm×5mm,材料为20G,锅炉用无缝钢管)进行了现场金相检验,然后再割样送至实验室进行分析。通过壁厚方向金相观察发现,水冷壁管的显微组织均为铁素体+珠光体,但在水冷壁管截面偏外表面视场的珠光体区域中,碳化物已分散并逐渐向晶界扩散,珠光体形态较为明显,珠光体平均球化度为3级,如图4所示;而管壁内侧截面珠光体区域中的碳化物虽已开始分散,但珠光体形态明显,珠光体平均球化度为2级,如图5所示。

2分析与讨论

原始显微组织一致的炉管,由于使用中在壁厚方向存在管内外温差梯度,长期运行后在壁厚方向的显微组织变化相应会呈现一定的梯度。按客户要求仅在外表面进行现场金相检验,如高温作用于部件外侧(如加热炉炉管),则对外表面显微组织劣化程度的评定结论相对于整体壁厚来说会偏重;而如高温作用于部件内侧(如蒸汽管线),则就外表面显微组织劣化程度的评定结论相对于整体壁厚来说会偏轻。此时,外表面显微组织的评定结论与部件整体壁厚方向显微组织劣化程度的平均水平会有一定偏差,并且这种偏差随着部件内外壁温差的增大而加剧。

放大倍数不够导致的反应器外壁碳化物类型判断偏差


1案例介绍

某炼油厂加氢裂化车间委托对其裂化反应器进行现场金相检验,指定分析部位为反应器下封头外壁。封头外壁基层壁厚为84mm,材料为2.25Cr1Mo0.25V钢。现场观察到的显微组织如图6所示,可见碳化物形态较为细密弥散。检验人员初步判断该显微组织构成为铁素体+珠光体,据此判断珠光体内碳化物已向晶界弥散,珠光体区域已不明显,珠光体平均球化度达3.5级,介于中度球化与完全球化之间。但对所检部位进行硬度测量的结果为163~169HBHLD,在正常范围内。

检验人员进一步查阅了反应器的制造竣工资料,资料显示该反应器外壁最终热处理为高温锻造后680~720℃回火(目的是使材料具备较好的强度和韧性),而不是压力容器钢板常见的正火处理。资料显示基体的显微组织构成为铁素体+粒状贝氏体,其高温劣化机制并不是珠光体内碳化物的分解。而由图6可知,该部位显微组织未发生明显劣化。

2分析与讨论

现场金相显微镜的最大物理放大倍数仅为400倍。由于振动、非平面等因素,现场不支持使用更高倍数的镜头进行观察,因此对于某些显微组织的形貌细节较难分辨。该案例中的碳化物在600倍以上观察才能区分出是弥散碳化物颗粒,还是细小但呈中空形貌的粒状贝氏体。对于一些调质处理的回火索氏体、屈氏体组织以及羽毛状上贝氏体等形态细密组织,往往需要600~1000倍的物理放大倍率进行观察识别,此时现场金相显微镜及金相复型方法的分辨能力已不能胜任。

现场作业空间中的灰尘导致的误判

1案例介绍

某炼油厂委托对其重整装置加热炉炉管进行现场金相检验,评定该炉管的珠光体平均球化度,炉管的材料为1Cr5Mo钢。在现场金相检验作业时,细密的炉灰弥漫炉腔,刚刚冲洗制备好的炉管表面立即会吸附大量灰尘,复型后的显微组织如图7所示。

检验人员评定该炉管表面的显微组织为铁素体+珠光体,且珠光体中的碳化物已分解并大量向晶界弥散。在检验过程中,检验人员需尽力排除复型上吸附的灰尘对珠光体中实际弥散于晶界上的碳化物观察的干扰。经过仔细聚焦观察,根据DL/T 787-2001«火电厂用15CrMo钢珠光体球化评级标准»,评定所检部位母材的显微组织珠光体平均球化度为4级,属于中度球化。

2分析与讨论

在石化工业和动力装置的现场金相检验作业中,绝大多数是对加热炉炉管、高温部件进行材料劣化检查,因此多为炉腔等有限空间作业。作业空间中不可避免地弥散有大量的炉灰、催化剂以及石棉等绝热材料的悬浮颗粒,这些颗粒大小不一,不仅易于造成试样制备时的划痕,且对于刚刚冲洗制备好的金相试样检测表面有很强的附着性,继而会对检验人员的现场观察及金相复型造成干扰。对于广泛使用的珠光体型耐热钢,其显微组织劣化的主要机制为珠光体内的碳化物在高温下逐渐分解成细小的球粒状碳化物,并弥散于晶界上。因此,检验人员必须对珠光体内分解出的弥散碳化物与附着的环境灰尘加以区分。对于珠光体未发生明显球化的组织以及尺寸较大、明显可判断为灰尘的颗粒,检验人员较易排除灰尘的干扰;但对于珠光体已发生明显球化且细小灰尘颗粒大量附着的显微组织,则在实际检验中较难区分,需要仔细辨别。

改进措施

基于以上误判案例以及多年工作经验,归纳总结出如下改进措施:

(1)检测机构应尽量收集客户委托检测部件的役前资料,包括检测部位的材料、最终热处理方式等信息,增加对检测部件是否可能存在脱碳(渗碳)层及显微组织构成的了解。

(2)对于可能存在脱碳(渗碳)层的部件,检验人员应使用计量检定合格、性能有保证的超声波测厚仪测量脱碳(渗碳)层厚度,确保磨制后的剩余壁厚大于有效壁厚的情况下,对部件磨制一定深度后再进行金相检验,或在对显微组织有疑问时加大打磨力度,比较深浅不同的两个厚度截面的显微组织是否一致。

(3)在金相检验报告中的适当位置需注明“根据客户委托,本次现场金相检验部位为客户指定部件表面,因此显微组织分析结论仅对所检部位表面负责;客户应考虑检测部件存在脱碳(渗碳)现象时造成显微组织检测结论偏差的可能。”和“由于本次现场金相检验只能分析到部件表面的显微组织,未能检查部件的厚度截面,客户应考虑壁厚方向组织变化程度不一致的可能性。”通过这些提醒使客户对可能产生的分析部位表面现场金相检验结论与部件整体金相检验结论存在差异有知情权,同时建议客户在取样时应尽量考虑到壁厚截面的整体显微组织,避免为客户带来不必要的经济损失,为双方规避仅在表面检测可能带来的技术风险。

(4)当现场金相检验观察到的显微组织有无法辨识清楚的细节问题时,应谨慎进行显微组织判定,应综合考虑所检部位的材料、最终热处理方式、使用工况及现场分析得出的显微组织结论,并结合相图综合判断材料的显微组织是否发生劣化。

(5)检验人员在恶劣环境下进行现场金相检验时,应通过熟练操作缩短腐蚀冲洗试样表面后观察及复型的时间,从而缩短灰尘附着的时间;在现场金相观察及对金相复型进行观察时,可通过对晶界的反复聚焦及景深观察,尽量排除附着灰尘对珠光体分解出的弥散碳化物观察的影响,再结合材料化学成分中的碳含量、已用工时等因素综合判断显微组织劣化情况。

结论

综上所述,笔者就现场金相检验与实验室金相检验的区别,以及对应导致技术风险的原因概括为以下4个因素。

表面因素

现场金相检验往往会导致分析结论仅针对于被检区域试样表面,而不能代表部件的整体。当检测部件存在脱碳、渗碳等表面因素时,“管中窥豹、盲人摸象”的技术风险更加突出。检测机构必须在检测报告中对客户阐明这种技术风险。

壁厚因素

根据受检部件的不同工况,部件内外壁的温差会造成壁厚方向显微组织劣化程度的差异,在现场金相检验时应根据实际工况加以考虑,并在检测报告中对客户阐明这种技术风险。

环境因素

现场金相检验与实验室取样分析相比作业环境

恶劣。检验人员应考虑灰尘、环境温度、振动等对现场金相检验工艺及现场金相图像采集、金相复型的影响,并在显微组织判断时尽量排除这些影响。

现场设备能力因素

现场金相显微镜及金相复型技术对于细密显微组织的观察及图像采集分辨能力有限,检验人员应考虑该方面的技术风险。

检验人员应在开展现场金相检验及显微组织判断时,对以上4个方面的因素加以综合考虑,防止忽略这些因素造成的最终显微组织判断偏差及其所带来的技术风险。

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