陳思思

(咸陽(yáng)市特種設(shè)備檢驗(yàn)所, 咸陽(yáng) 712000)

隨著金相顯微鏡技術(shù)的不斷發(fā)展及設(shè)備的不斷完善，如今的金相顯微鏡比早期的金相顯微鏡在成像、光源方面有了進(jìn)一步的發(fā)展，因此金相顯微鏡在金屬材料的組織檢測(cè)中發(fā)揮了重要的作用。尤其是便攜式金相顯微鏡的迅速發(fā)展，極大地規(guī)避了以往現(xiàn)場(chǎng)取樣的弊端，而且隨著圖像捕捉及處理技術(shù)的更新?lián)Q代，現(xiàn)在只需將顯微鏡與平板電腦連接就可觀察到清晰的顯微組織形貌。

電站鍋爐管道的所有受熱面，長(zhǎng)期處于高溫、高壓環(huán)境下，受熱面金屬的顯微組織隨著鍋爐運(yùn)行時(shí)間的增加會(huì)發(fā)生變化，如碳化物的析出、聚集、球化和新相的析出等[1-2]。金相檢驗(yàn)可以為了解材料的顯微組織變化情況提供依據(jù)，因此TSG G 7002-2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》中規(guī)定，要對(duì)電站鍋爐主蒸汽管道及高溫過(guò)熱器管抽樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

便攜式金相顯微鏡被廣泛應(yīng)用在主蒸汽管道的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)中，其操作方法已經(jīng)很成熟，但由于高溫過(guò)熱器管的管壁很薄，稍有不慎就會(huì)打磨過(guò)量，因此一般都是先割管取樣，然后在試驗(yàn)室中進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)[3]。但是，當(dāng)只需做金相和硬度檢驗(yàn)時(shí)，完全可以通過(guò)對(duì)薄壁管的多次打磨練習(xí)，就能夠在不需要割管，且保證材料強(qiáng)度所需最小厚度的條件下，直接在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)過(guò)熱器薄壁管進(jìn)行金相檢驗(yàn)。這樣既避免了對(duì)過(guò)熱器管的損壞，同時(shí)克服了恢復(fù)難度大、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)以及檢驗(yàn)成本高的弊端。

耐熱鋼廣泛應(yīng)用于動(dòng)力機(jī)械、石油、化工、航天工業(yè)等領(lǐng)域，如用于制造汽輪機(jī)、鍋爐、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃汽輪機(jī)等。珠光體鐵素體耐熱鋼中合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)5%～7%，屬于低合金鋼，被廣泛用于生產(chǎn)、制造工作溫度為350～670 ℃的鍋爐管(過(guò)熱器管、主蒸汽管)、汽包和汽輪機(jī)的緊固件、主軸、轉(zhuǎn)子、葉輪等零件[4]。典型的合金牌號(hào)有15CrMo、12Cr1MoV、17CrMo1V、12Cr2MoWVB等，其典型的熱處理工藝是正火+高溫回火，熱處理后的組織為鐵素體+珠光體或貝氏體等。

12Cr1MoVG鋼常用于鍋爐的受熱面管和蒸汽管道[5]，其熱處理工藝一般為980 ℃正火后再經(jīng)740 ℃高溫回火[4]，其顯微組織為鐵素體+細(xì)珠光體+少量貝氏體。該鋼長(zhǎng)期在高溫、高壓條件下工作，其顯微組織將發(fā)生變化，珠光體分解，片狀滲碳體變成球狀、長(zhǎng)大和聚集，鐵素體晶內(nèi)和晶界上碳化物萌生、長(zhǎng)大、數(shù)量增多。同時(shí)晶界上以碳化物為核心的蠕變空洞開(kāi)始形成。這種變化將嚴(yán)重影響鋼的熱強(qiáng)性和沖擊強(qiáng)度，因此管道在長(zhǎng)期服役后應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)估，如發(fā)現(xiàn)管道老化應(yīng)及時(shí)更換，避免事故發(fā)生。

筆者以材料為12Cr1MoVG鋼的高溫過(guò)熱器管為例，利用便攜式金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)，以說(shuō)明薄壁管的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)效果。

1 金相試樣制備方法

1.1 試樣的打磨

在薄壁管上先選取檢驗(yàn)面，用不同粒度的砂輪片依次打磨，砂輪片的粒度從粗到細(xì)依次為60目、100目、150目、180目，最后用纖維輪打磨，打磨過(guò)程用力要均勻，并不斷地移動(dòng)砂輪片，以保證檢驗(yàn)面的平整。在更換更細(xì)砂紙的時(shí)候，必須保證能完全磨掉上一道砂輪片的劃痕。

1.2 試樣的拋光

采用機(jī)械拋光和化學(xué)拋光相結(jié)合的方法對(duì)試樣進(jìn)行拋光，機(jī)械拋光主要是去除打磨后檢驗(yàn)區(qū)域較明顯的劃痕，而化學(xué)拋光是去除機(jī)械拋光后，檢驗(yàn)區(qū)域表面的細(xì)微劃痕。

首先進(jìn)行機(jī)械拋光，先將型號(hào)為W1.5、晶粒度為6 000目的研磨膏涂抹在羊毛氈表面，然后在試樣表面進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光過(guò)程中要防止檢驗(yàn)面因摩擦而生成過(guò)熱組織，觀察到檢驗(yàn)區(qū)域的劃痕基本消失后，用酒精沖洗表面，再用脫脂棉球?qū)⑵洳潦酶蓛簟?/p>

然后進(jìn)行化學(xué)拋光，用鑷子夾著脫脂棉球，蘸取適量的拋光液，在檢驗(yàn)面均勻擦拭，當(dāng)檢驗(yàn)區(qū)域的劃痕完全消失，且檢驗(yàn)面成鏡面時(shí)，用無(wú)水酒精沖洗整個(gè)檢驗(yàn)面，再用脫脂棉將酒精擦拭干凈。拋光過(guò)程中，要避免時(shí)間過(guò)短而出現(xiàn)組織假象。

1.3 試樣的浸蝕和觀察

根據(jù)DL/T 884-2019《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》的技術(shù)要求，選擇體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行浸蝕。用脫脂棉蘸取適量的浸蝕液，均勻涂抹在試樣拋光后的檢驗(yàn)面上，當(dāng)檢驗(yàn)面的顏色變成淡灰色后，將試樣表面浸蝕液沖洗干凈，試樣制備完成。但是浸蝕的時(shí)候，要特別注意溫度對(duì)浸蝕速率的影響，以免浸蝕過(guò)輕或過(guò)度，影響觀察效果。最后將便攜式金相顯微鏡固定在檢驗(yàn)區(qū)域上，然后調(diào)節(jié)焦距并觀察其顯微組織形貌。

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3臺(tái)電廠鍋爐的高溫過(guò)熱器管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)。余熱發(fā)電鍋爐1的高溫過(guò)熱器管材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為φ42 mm×3.5 mm，運(yùn)行時(shí)間約為42 600 h，過(guò)熱器出口溫度為390 ℃，從人孔向內(nèi)第2根管的顯微組織形貌如圖1所示?？芍奂螒B(tài)的珠光體區(qū)域已開(kāi)始分散，珠光體形態(tài)仍較清晰，邊界線開(kāi)始變得模糊，部分碳化物呈條狀、點(diǎn)狀，晶界上開(kāi)始析出顆粒狀碳化物，同時(shí)顯微組織中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象。根據(jù)DL/T 773-2016《火電廠用12Cr1MoV鋼球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的技術(shù)要求對(duì)過(guò)熱器管的顯微組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，可知珠光體組織球化評(píng)級(jí)為2級(jí)，達(dá)到輕度球化。

圖1 余熱發(fā)電鍋爐1高溫過(guò)熱器管的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of high temperature superheater pipe of waste heat boiler 1: a) position 1; b) position 2

余熱發(fā)電鍋爐2的高溫過(guò)熱器管材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為φ51 mm×4 mm，運(yùn)行時(shí)間約為47 669 h，過(guò)熱器出口溫度為450 ℃，西側(cè)墻下起第3根管的顯微組織形貌如圖2所示?？芍愂象w區(qū)域仍然存在，粒狀結(jié)構(gòu)開(kāi)始變得疏松，方向性開(kāi)始消失，但貝氏體形態(tài)仍較清晰；晶界上開(kāi)始析出粒狀碳化物，同時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象。根據(jù)DL/T 773-2016的技術(shù)要求對(duì)顯微組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，可知珠光體組織球化評(píng)級(jí)為2級(jí)，達(dá)到輕度球化。

圖2 余熱發(fā)電鍋爐2高溫過(guò)熱器管的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of high temperature superheater pipe of waste heat boiler 2: a) position 1; b) position 2

余熱發(fā)電鍋爐3的高溫過(guò)熱器管材料為12Cr1MoVG鋼，規(guī)格為φ42 mm×3.5 mm，運(yùn)行時(shí)間約為51 600 h，過(guò)熱器出口溫度為390 ℃，從東向西第3根管的顯微組織形貌如圖3所示。可知聚集形態(tài)的珠光體區(qū)域已顯著分散，仍保留原有的形態(tài)，邊界線變得模糊，碳化物全部聚集長(zhǎng)大，呈條狀、點(diǎn)狀，晶界上顆粒狀碳化物增多、變大且成小球狀分布，同時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象。根據(jù)DL/T 773-2016的技術(shù)要求對(duì)顯微組織進(jìn)行評(píng)級(jí)，可知珠光體組織球化評(píng)級(jí)為3級(jí)，達(dá)到中度球化。

圖3 余熱發(fā)電鍋爐3高溫過(guò)熱器管的顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of high temperature superheater pipe of waste heat boiler 3: a) position 1; b) position 2

2.2 壁厚測(cè)量結(jié)果

分別對(duì)打磨后的3臺(tái)電廠鍋爐高溫過(guò)熱器管進(jìn)行壁厚測(cè)量， 每個(gè)區(qū)域選取5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)余熱發(fā)電鍋爐1，2，3高溫過(guò)熱器薄壁管打磨后的管壁減薄量依次為0.7，1.1，1.0 mm。經(jīng)查資料可知，薄壁管打磨后的壁厚滿足鍋爐安全運(yùn)行基本條件的最小厚度，減薄量一般只需1.0 mm左右,且得到的顯微組織形貌清晰，檢驗(yàn)面上基本看不到明顯的劃痕，完全可以根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果判斷組織的老化情況，達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康?。同時(shí)打磨厚度為1.0 mm左右時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面脫碳現(xiàn)象。

表1 打磨前、后不同鍋爐高溫過(guò)熱器薄壁管的壁厚測(cè)量結(jié)果Tab.1 Wall thickness measurement results of thin-walled pipe of high temperature superheater in different boilers before and after grinding mm

3 結(jié)論

針對(duì)電站鍋爐高溫受熱面的薄壁管，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)試驗(yàn)，總結(jié)出了一套切實(shí)可行的高溫受熱面薄壁管現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)試樣的制備方法。該方法選取砂輪片的粒度從粗到細(xì)依次為60目、100目、150目、180目，最后用纖維輪進(jìn)行打磨，這樣的打磨步驟一次性就能得到符合檢驗(yàn)要求的檢驗(yàn)面，檢驗(yàn)面幾乎沒(méi)有明顯的劃痕，且減薄量一般為1.0 mm左右，完全滿足安全運(yùn)行最小厚度的要求。即使在條件比較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，也能快速觀察到顯微組織，且顯微組織形貌清晰，檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。同時(shí)，一般的金相檢驗(yàn)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)、練習(xí)均可掌握該方法。該方法的應(yīng)用不僅縮短了檢驗(yàn)時(shí)間，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)效益，也避免了割管的損傷，解決了薄壁管焊接恢復(fù)難的問(wèn)題。