分享：现场金相检验技术及误判案例分析

摘 要:通过分析现场金相检验误判案例,概况总结了可能导致现场金相检验误判的原因,并提 出了改进措施,最后归纳出防止现场金相检验误判必须考虑的因素.提出检验人员在开展现场金 相检验及显微组织判断时,应对所检材料表面状况、壁厚、环境、现场设备能力等因素加以综合考 虑,防止忽略这些因素造成的显微组织判断偏差及技术风险.

关键词:现场金相检验;案例;显微组织;壁厚;环境;设备

中图分类号:TG１１５．２１ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６３９Ｇ０４

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[１].该 技术适用于动力系统、石化工业过程装备的制造、安 装及长期运行过程中,可按照 DL/T６５２－１９９８«金 相复型技术工艺导则»的要求,在现场对常用钢材 (碳素钢、低合金珠光体钢、合金结构钢、马氏体钢、 奥氏体 钢 等)金 属 部 件 进 行 非 破 坏 性 的 微 观 组 织 检验.

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[２], 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.

目前,笔者单位主要使用的现场金相观察及图 像采集的设备有日本达柯 DSMＧIIIＧ１０４型现场金相 显微镜和徐州豪立 DMＧ０１型现场金相检查仪,按照 DL/T６５２－１９９８标准应用金相复型技术采集显微 组织形貌至实验室判定.但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,这些案例 中有些误判结果可能会严重影响到客户的决策.为 此,笔者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,同时 为检验人员提供参考,进一步提高现场金相检验的 准确性与可靠性.

１ 误判案例及原因分析

１．１ 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?１１４mm×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.

客户据此结论认为导汽管材料已严重劣化应更 换.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 GB５３１０－２００８«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 ０．４ mm,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.

１．２ 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?６０mm×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.

１．３ 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.

１．４ 现场作业空间中的灰尘导致的误判

(１)案例介绍

图７ 附着灰尘的炉管外壁显微组织复型 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/T７８７－ 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.

２ 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.

３ 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.

３．１ 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.

３．２ 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.

３．３ 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.

３．４ 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.

参考文献:

[１] 田晓璇,肖国华,曹剑峰,等．P９１钢现场快速金相检 验方法[J]．理化检验(物理分册),２０１５,５１(１２):８６７Ｇ ８６９．

[２] 谢汝良．现场金相复膜纸的制作方法与技巧[J]．理化 检验(物理分册),２０１８,５４(２):１１９Ｇ１２１．

文章来源——材料与测试网