УДК 669-1
МРНТИ 59.35.33

Ключевые слова: микроструктура, металлография, микроскоп

Источник: Международный журнал по неразрушающему контролю – Территория NDT, 2013, №1

Сведения об авторе: Сембаев Нурболат Сакенович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургия»

ПОРТАТИВНЫЙ МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА

Сембаев Н.С., Артамонов В.П.

Наиболее напряженные узлы теплоэнергетического оборудования, в частности, па-ропроводы и роторы паровых турбин работают в условиях ползучести, т.е. длительной время при повышенных температурах (540 – 550 оС) и давлениях (14,7 МПа и выше). Па-ропроводы и роторы паровых турбин обычно изготавливают из теплоустойчивых хромо-молибденованадиевых сталей. При эксплуатации в условиях ползучести в этих сталях происходит трансформация (распад) микроструктуры, в частности, происходит так назы-ваемая сфероидизация сорбита – растворенные в феррите атомы хрома и молибдена за счет диффузии выходят из кристаллической решетки альфа-железа, образуя карбиды хро-ма и молибдена. В связи с этим исходная феррито-сорбитная микроструктура постепенно превращается в феррит-карбидную. Дальнейшая эксплуатация металла с феррито-карбидной микроструктурой в условиях ползучести вызывает появление и накопление в металле микропор ползучести. Концентрирующиеся на границах ферритных зерен микро-поры при их определенном количестве могут сливаться, образуя микротрещины. Даль-нейшее развитие процесса ползучести, т.е. дальнейшая эксплуатация трубы приводит к перерастанию микротрещин в магистральную трещину, что может привести, а в ряде слу-чаев и приводит к лавинообразному разрушению изделия, т.е. к аварийному разрушению теплоэнергетического оборудования. Изменение фазового состава металла в процессе эксплуатации, и, в частности, степень распада микроструктуры и накопление в металле микропор ползучести как информативный параметр, характеризующий состояние металла и его надежность, широко использован в отраслевых нормативных документах по контролю и технической диагностике теплоэнергетического оборудования. Так, действующим в системе теплоэнергетики отраслевым стандарт установлена шкала сфероидизации перлита в углеродистых и низколегированных сталях. Сфероидизация второй структурной составляющей в металле высокотемпературных ступеней ротора не должна превышать третьего балла по шкале отраслевого стандарта, а в металле работающих в условиях ползучести паропроводов количество микропор должно быть не более балла 4 по шкале микроповреждаемости упомянутого отраслевого стандарта.
Еще в более жестких условиях эксплуатируются детали проточной части газовых турбин. Узлы этого оборудования изготавливаются из жаропрочных и жаростойких ау-стенитных высоколегированных сталей и сплавов. В процессе эксплуатации микрострук-тура этих материалов также претерпевает изменение, в частности, происходит образова-ние σ-фазы, γ´-фазы и микропор ползучести, что снижает эксплуатационную надежность газотурбинных установок.
Контроль микроструктуры металла наиболее напряженных узлов дорогостоящего теплоэнергетического и газотранспортного оборудования следует проводить без вырезки образцов, т.е. неразрушающими методами. Широко применяемая в различных областях техники структуроскопия проникающими полями и излучениями недостаточна чувстви-тельна, чтобы обеспечить надежный контроль металла на наличие микропор, размеры ко-торых находятся в пределах 5 и менее мкм. Поэтому и в теплоэнергетике, и в газотранс-портной промышленности неразрушающий контроль микроструктуры работающего в ус-ловиях ползучести металла на так называемую микроповреждаемость, т.е. на наличие в металле микропор ползучести проводят методами классической металлографии. Для этого непосредственно на поверхности оборудования выполняют металлографический шлиф и исследуют микроструктуру или посредством металлографических реплик (оттис-ков), или портативными металлографическими микроскопами.
Многолетний опыт практической работы по микроструктурному мониторингу ра-ботающего в условиях ползучести металла теплоэнергетического и газотранспортного оборудования ряда авторов данной статьи [1,2] свидетельствует, что независимо от спосо-ба получения реплик этот метод является косвенным. Независимо от способа их получе-ния реплик исследования микроструктуры по репликам исследуют в лабораторных усло-виях на стационарных металлографических микроскопах.
В то же время исследование микроструктуры металла по выполненному непосред-ственно на поверхности оборудования шлифу портативным микроскопом является пря-мым, не опосредованным, как это имеет место при использовании реплик. Поэтому неразрушающий контроль микроструктуры посредством портативного микроскопа является более предпочтительным. Заметим также, что иногда в силу ряда причин (вибрация оборудования и запыленность атмосферы, например, котельных цехов тепловых электростанций) применение портативных микроскопов для исследования микроструктуры затруднено или вовсе невозможно. Однако и в этом случае портативный микроскоп совершенно необходим хотя бы для контроля качества подготовки шлифа.
В настоящее время рынок предлагает широкий выбор портативных металлографи-ческих микроскопов. Так, например, НПО «СПЕКТР» г. Москва выпускает целое семей- ство портативных микроскопов разных модификаций и назначений. Для неразру-шающего контроля микроструктуры в теплоэнергетике используются также портативные микроскопы, производство и продажа которых осуществляется одной из фирм г. Екате-ринбурга. Авторы не останавливаются на достоинствах и недостатках упомянутых выше микроскопов, поскольку цель данной статьи не состоит в рекламе или, напротив, антирекламе предлагаемых рынком портативных металлографических микроскопов, поскольку цель статьи другая.
В период 60-80-х гг. прошлого века оптическая промышленность СССР освоила массовое производство оптических металлографических микроскопов и выпускала по-следние в количествах, которые значительно превосходили потребности экономики. Ла-боратории металлургических и машиностроительных заводов, ТЭС, специализированные кафедры ВУЗов были хорошо оснащены стационарными металлографическими микро-скопами, производимыми в то время ЛОМО – это прежде всего оптические микроскопы МИМ-8, МИМ-10 и микротвердомеры ПМТ-3. Для своего времени эти приборы отечест-венного производства открывали широкие возможности для проведения исследователь-ских работ металловедческой направленности и, имея в виду специфику лабораторий ме-таллов ТЭС, осуществлять все виды контроля микроструктуры металла – входной, мон-тажный и эксплуатационный.
К 90-м годам прошлого века микроскопы МИМ и твердомеры ПМТ морально уста-рели и физически износились. Микроскопы, прежде всего, потому, что они, естественно, предусматривали документирование микроструктур методом классической фотографии, т.е. посредством фотокамер с использованием фотопластин или фотопленки, которые не-обходимо было проявлять, применяя специальные химикаты-проявители, после чего тре-бовалось распечатывать негатив на специальной фотобумаге и т.д. – все эти препаратив-ные мероприятия уже не знакомы молодому поколению металловедов. В микротвердоме-рах с внедрением в производство цифровых фотокамер и программного обеспечения для обработки фотографий морально устарело механическое устройство для измерения диаго-налей отпечатков. Физический износ выражался главным образом в том, что у всех совет-ских микроскопов был слабый узел – механизм тонкой подачи (микронаводки), который выходил из строя уже после нескольких лет эксплуатации.
С переходом на рыночные отношения устаревшие и физически изношенные мик-роскопы были заменены современными стационарными морально микроскопами, позво-ляющими документировать микроструктуры цифровыми фото- и видеокамерами. Естест-венно, устаревшие микроскопы советского производства были списаны и отправлены на склад или вовсе в утиль. Однако списанные металлографические микроскопы и микро-твердомеры советского производства обладали несомненными достоинствами – они име-ли прекрасную оптику, которая к моменту их списания нисколько не утратила своих по-требительских свойств.
Используя эту оптику со списанных приборов, можно самостоятельно изготовить портативный металлографический микроскоп.
Ниже приведена конструкция портативного микроскопа, изготовленная авторами данной статьи (рис. 1). При этом использована оптика и осветительная система списанно-го микротвердомера ПМТ-3.
Корпус портативного микроскопа представляет собой трубу переменного сечения
(позиция 1 рис. 1), вырезанную токарной обработкой из алюминиевой отливки. Обратим внимание, что внутренний диаметр корпуса 1 имеет переменное сечение. В верхнюю часть корпуса 1 свободной посадкой помещена перископическая труба 2, которая также вырезана из алюминиевой отливки. По наружной цилиндрической поверхности перископической трубы 2 нарезана мелкая трубная резьба. В верхнем торце корпуса 1 вырезано гнездо для ходовой цилиндрической гайки 3 (материал - алюминий), на внутреннем диаметре которой нарезана трубная резьба аналогичная той, что имеется на наружной поверхности перископической трубы 2. Как видно на рис. 1, находящаяся в гнезде корпуса 1 и навинченная на перископическую трубу 2 цилиндрическая гайка 3 прикреплена к корпусу 1 крышкой 4, которая, в свою очередь, прикреплена к корпусу 1 винтами. Вращая ходовую гайку 3, можно передвигать трубу 2 вверх или вниз относительно корпуса 1, в связи с чем эту трубу правомерно называть перископической.
Внутренний диаметр перископической трубы 2 соответствует наружному диаметру посадочной части окуляра 5 – на рис. 1 видно, что окуляр 5 вставлен в верхнюю часть перископической трубы 2.
Использованный нами штатный для микротвердомера ПМТ-3 узел со светодели-тельной пластиной представляет собой стальную прямоугольную конструкцию, квадра-тую в поперечном сечении (сторона квадрата 32 мм), высота прямоугольной конструкции 42 мм. В верхней горизонтальной стороне этого куба имеется цилиндрический прилив с резьбой. Такая резьба выполнена нами и в нижней части перископической трубы 2. К од-ной из боковых плоскостей узла 6 со светоделительной пластины прикреплен штатный патрубок со светофильтрами, полевой диафрагмой и штуцером для крепления осветителя (лампы накаливания).
Приведенное выше, возможно, излишне подробное описание штатного узла 6 не-обходимо для того, чтобы понять, что узел 6 не может быть размещен в корпусе 1 через его нижнее торцевое отверстие, диаметр которого 35 мм – этому препятствует патрубок узла 6. метр нижней части корпуса 1 несколько больше диагонали прямоугольной части узла 6. Поэтому в нижней части корпуса 1 выполнено прямоугольное окно шириной 35 мм и высотой 55 мм, которое можно увидеть на общем виде портативного микроскопа (рис. 2). Поместив через это окно прямоугольную часть узла 6 внутрь корпуса 1, перископическую трубу 2 накручивают на резьбу цилиндрического прилива узла 6, при этом патрубок остается снаружи корпуса 1 (см. рис. 2). Через отверстие в нижнем торце корпуса 1 объектив 7 вкручивают в нижнюю сторону прямоугольной части узла 6, как это и предусмотрено конструкцией микротвердомера ПМТ-3. Теперь микроскоп готов к работе, при этом предполагается использование для освещения штатную лампу накаливания и трансформатор, конструкция и технические характеристики которых общеизвестны.
Микроскоп устанавливается на микрошлиф, подготовленный непосредственно на поверхности подлежащего контролю оборудовании. Вращая цилиндрическую гайку 3, т.е. передвигать трубу 2 вверх или вниз относительно корпуса 1, объектив 7 приближают или удаляют от поверхности шлифа – этим приемом находится резкое изображение исследуемой микроструктуры.
Как следует из описания конструкции предлагаемого портативного микроскопа, в нем отсутствует реечные механизмы грубой и тонкой подачи (наводки на резкость), как это имеет место в известных стационарных и портативных металлографических микро-скопах. Этим, по нашему мнению, достигается два положительных эффекта: первое - уп-рощение конструкции микроскопа и следовательно снижение его себестоимости, второе – повышение надежности, т.к. исключается реечный механизм тонкой подачи, который, как указывалось выше, мало надежен в эксплуатации.
Вместе с тем, алюминий как материал для предлагаемой конструкции портативного микроскопа имеет ряд недостатков. В этой связи, прежде всего, отметим, что алюминий является сравнительно мягким материалом, поэтому резьбовое соединение перископической трубы 2 и цилиндрической гайки 3 при длительной эксплуатации может истереться,
тем более что, как уже было сказано, резьба является мелкой трубной. Как известно, по сравнению с прочими неблагородными металлами алюминий имеет самую высокую от-ражательную способность. Поэтому при исследовании микроструктуры лучи света от ос-ветителя, проходя внутри корпуса 1 и трубы 2, могут отражаться от внутренних стенок этих деталей, создавая блики на изображении микроструктуры. Наконец, алюминий имеет невысокие декоративные свойства.
С целью устранения этих недостатков нами проведено анодирования корпуса, тру-бы и гайки по известной технологии [3]. В результате анодирования на поверхности алю-миния образуется тонкий прозрачный слой Al2O3, который, как известно, является износостойким. Этим обеспечивается предотвращение износа в процессе эксплуатации резьбового соединения перископической трубы 2 и цилиндрической гайки 3.
Однако прозрачный слой Al2O3 не устранял бы отражение лучей света от внутрен-них поверхностей трубы и корпуса, т.е. не устранял бы вероятность образование бликов. Поэтому нами выполнено адсорбционное окрашивание анодированных корпуса и трубы экологически чистым красителем в темно-синий цвет. Для контраста анодированную ци-линдрическую гайку окрасили тем же способом, но другим красителем в красный цвет. В результате микроскоп приобрел, как нам кажется, приятный декоративный вид (рис. 2).
Всего изготовлено два экземпляра микроскопа указанной конструкции. Один из них используется в учебных целях в ПГУ, другой передан в специализированное управлений «Леноргэнергогаз» г. Санкт-Петербург для неразрушающего контроля микроструктуры металла оборудования КС. Для примера на рис. 3 приведена микроструктура вставки внутренней корпуса турбины (материал – аустенитная сталь типа 12Х18Н12Т), выявленная этим микроскопом на Сорумском ЛПУ (линейное производственное управление) ст. № 14 газотурбинной установки ГТК-10. Видно, что по границам аустенитных зерен расположены частицы σ-фазы, а по телу аустенитных зерен - γ´-фазы.
В заключении отметим, что предлагаемый портативный микроскоп прост в изго-товлении, т.к. для этого требуется только токарные и фрезерные работы, которые всегда можно выполнить на ремонтно-механических участках ТЭС, а анодирование и адсорбци-онное окрашивание – в химических лабораториях ТЭС. Использование изготовленного своими силами портативного металлографического микроскопа вместо покупного заметно снижает себестоимость работ по неразрушающему контролю микроструктуры металла.