Đánh giá cấu trúc tế vi vật liệu ngoài hiện trường

Đánh giá vi cấu trúc kết hợp với quá trình sao chép tiêu bản luyện kim có thể giúp phát hiện ra các khiếm khuyết nghiêm trọng hoặc sự xuống cấp của cấu kiện trước khi xảy ra những hỏng hóc nghiêm trọng.

In-situ Metallurgical Replication

Sao chép hay lấy ảnh tiêu bản luyện kim tại hiện trường (Field Metallurgical Replication – FMR) là một kỹ thuật kiểm tra không phá hủy được sử dụng để đánh giá cấu trúc vi mô của vật liệu đang sử dụng tại nhà máy như lò hơi, nồi hơi, đường ống, lò phản ứng. Để so sánh, việc cắt mẫu để kiểm tra trong phòng thí nghiệm thường đắt hơn, phải dừng sản xuất và có thể khó khi tiến hành sửa chữa sau khi cắt mẫu.

FMR là một quá trình đơn giản. Sử dụng thiết bị di động, bề mặt kim loại được mài và đánh bóng tới mức gần như bề mặt gương, sau đó được khắc để lộ cấu trúc vi mô. Sau đó, một bản sao của bề mặt khắc được tạo ra bằng một miếng màng axetat mỏng.

Hình ảnh bản sao bề mặt có thể được kiểm tra tại hiện trường bằng kính hiển vi quang học cầm tay hoặc trong phòng thí nghiệm. Quá trình này cung cấp cho các kỹ sư luyện kim khả năng kiểm tra các đặc điểm cấu trúc vi mô như kích thước hạt, vết nứt, cacbua, rão và các cơ chế hư hỏng vật liệu khác. Nó có thể xác nhận các quan sát được thực hiện bằng các phương pháp không phá hủy khác như kiểm tra phát xạ âm, kiểm tra thẩm thấu chất lỏng, kiểm tra dòng xoáy mảng pha và siêu âm PAUT/TFM và thực hiện các đánh giá đó thêm một bước nữa để xác định bản chất hay nguồn gốc của cơ chế gây ăn mòn. Ví dụ, có thể xác định được vết nứt là do ăn mòn giữa mạng tinh thể hay do nứt mỏi.

Các kỹ thuật gần đây sử dụng khắc ăn mòn điện phân trong quá trình chuẩn bị bề mặt. Phương pháp khắc điện phân là không thể thay thế, đặc biệt là đối với thép hợp kim.

Metallurgical Replication hay sao chép tiêu bản luyện kim để làm gì?

Như các quá trình NDT khác, FMR cần được chú trọng khi một thành phần đang hoạt động ở nhiệt độ cao hoặc khi có yêu cầu sử dụng các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy. Ưu điểm chính là bạn không phải cắt bất kỳ mẫu nào để đưa đi phân tích và có thể thực hiện quá trình kiểm tra này ngay cả khi nhà máy đang hoạt động. Khi đánh giá các cấu kiện của nhà máy, sao chép luyện kim tại hiện trường có thể là một công cụ quan trọng để đưa ra quyết định chạy tiếp, sửa chữa hoặc thay thế.

Đánh giá phù hợp cho dịch vụ (FFS) thường cần xác minh hình dạng, độ dày, tính chất cơ học và điều kiện vật liệu (Metallurgical) của các bộ phận cấu thành. Một số các công việc phân tích kỹ thuật nhiều cấp độ cũng yêu cầu FMR. FMR cùng thường là công việc được yêu cầu trong khuôn khổ Đánh giá phù hợp dịch vụ (FFS).

Dịch vụ FMR cũng thường yêu cầu các kỹ sư luyện kim và kỹ thuật viên để thực hiện các đánh giá ngoài hiện trường (in-situ) và giúp nhanh chóng đánh giá các cơ chế xuống cấp ảnh hưởng đến tuổi thọ của cấu kiện hay thiết bị trong nhà máy. Các kết quả của FMR cũng có thể được sử dụng làm đầu vào quan trọng trong các Đánh giá phù hợp dịch vụ (ví dụ: API 579-1ASME FFS-1).

Có thể thu được nhiều loại thông tin bằng phương pháp sao chép tiêu bản luyện kim, bao gồm:

  • Xác định họ / loại vật liệu (gang, thép không gỉ Austenit, thép cacbon).
  • Phát hiện có hay không các thay đổi cấu trúc vi mô khác xảy ra ở nhiệt độ cao do tiếp xúc với môi trường trong nồi hơi, bình áp lực, đường ống và các bộ phận khác.
  • Xác định sự hiện diện và giai đoạn của các hư hại do chảy dão bằng cách quan sát các đặc điểm luyện kim phổ biến bao gồm: hình cầu hóa, hình thành các lỗ hốc biệt lập và có định hướng, microcrack và macrocrack.
  • Phân tích kết quả xử lý nhiệt trong vật liệu khi chế tạo và xử lý nhiệt sau hàn trong các bộ phận được hàn.
  • Đánh giá và phân loại các chỉ thị bề mặt (rỗ, xỉ, tách lớp, vết nứt, đường nối).
  • Để đảm bảo thiết bị, vật liệu mua về phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật.
  • Phân loại các chi tiết bằng vật liệu gang cầu bằng NDT.
  • Trong quá trình đánh giá sau hỏa hoạn, các bản sao tiêu bản luyện kim kết hợp với kiểm tra độ cứng tại hiện trường và kiểm tra NDT bổ sung có thể xác định giới hạn của các thành phần bị hư hỏng cần được thay thế.

Ưu điểm

  • Cung cấp thông tin về lịch sử nhiệt của cấu kiện.
  • Có thể kết luận về tính chất cơ học của vật liệu khi có đủ thông tin.
  • Hình thái vết nứt.
  • Chất liệu, hình dạng và kích thước của đối tượng không phải là yếu tố giới hạn cho việc kiểm tra.

Nhược điểm

  • Cần tiếp xúc với chi tiết kiểm tra.
  • Khó làm khi nhiệt độ cao hơn 70° C hoặc thấp hơn -10° C.
  • Phương pháp kiểm tra này phụ thuộc nhiều vào kỹ năng và kinh nghiệm của kỹ thuật viên, cần kiến thức về luyện kim.
  • Chuẩn bị bề mặt rất quan trọng và tốn nhiều công sức.

Quá trình sao chép tiêu bản luyện kim

Các quy trình lấy tiêu bản metallurgic thường tuân theo các hướng dẫn trong ASTM A1351 và ASTM E407 để chuẩn bị bề mặt kim loại và thực hiện quá trình sao chép. Sao chép tiêu bản luyện kim tại hiện trường bao gồm các bước chung sau:

  • Mài và đánh bóng bề mặt của bộ phận cần kiểm tra sử dụng máy mài với đĩa mài phù hợp từ thô tới mịn.
  • Khắc bề mặt kim loại bằng dung dịch phù hợp với vật liệu kiểm tra để lộ ra các đặc điểm kim loại học. Có thể sử dụng các phương pháp khắc ăn mòn điện phân để tăng tốc độ và chất lượng kiểm tra.
  • Đặt phim sao chép acetate chuyên dụng lên khu vực quan tâm đã được chuẩn bị.
  • Kết quả sao chép và hình ảnh vi mô được lưu lại với các bản vẽ xác định vị trí đã sao chép.
  • Kiểm tra kỹ thuật / giải thích bản sao trên kính hiển vi quang học

Chuẩn bị bề mặt là rất quan trọng đối với quá trình sao chép để đảm bảo bề mặt không bị đóng cặn, bụi bẩn, mảnh vụn và các vật lạ khác. Bề mặt được đánh bóng ở mức độ chính xác để đảm bảo các đặc điểm cấu trúc vi mô được phân giải tốt.

Việc giải thích kỹ thuật của bản sao cuối cùng có thể được thực hiện trên kính hiển vi quang học tại hiện trường hoặc trong phòng thí nghiệm. Trong một số trường hợp, bề mặt của chi tiết kiểm tra có thể được đánh giá ngay sau quá trình khắc, trực tiếp trên kính hiển vi tại hiện trường.

Gần đây, với việc lưu giữ hình ảnh kỹ thuật số và kính hiển vi di động, các công việc như quan sát bề mặt sau khi chuẩn bị và thu nhận hình ảnh tiêu bản cũng như đánh giá cấu trúc tế vi có thể thực hiện ngay tại hiện trường một cách dễ dàng.

Tiêu chuẩn sử dụng

  • ASME Sect. IX – BPVC Section IX-Welding, Brazing, and Fusing Qualifications
  • ASTM A247 – Standard Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings
  • ASTM A262 – Standard Practices for Detecting Susceptibility to Intergranular Attack in Austenitic Stainless Steels
  • ASTM E112 – Standard Test Methods for Determining Average Grain Size
  • ASTM E1268 – Standard Practice for Assessing the Degree of Banding or Orientation of Microstructures
  • ASTM E2142 – Standard Test Methods for Rating and Classifying Inclusions in Steel Using the Scanning Electron Microscope
  • ASTM E3 – Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens
  • ASTM E407 – Standard Practice for Microetching Metals and Alloys
  • ASTM E45 – Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel
  • ASTM E562 – Standard Test Method for Determining Volume Fraction by Systematic Manual Point Count
  • ASTM E883 – Standard Guide for Reflected–Light Photomicrography
  • ASTM E92 – Standard Test Methods for Vickers Hardness and Knoop Hardness of Metallic Materials
  • MIL Specifications

Metallurgical Replication – Tiêu bản luyện kim

Thuật ngữ do thầy Nguyễn Đức Thắng tư vấn. Chân thành cảm ơn thầy.

Thông tin liên quan