带状组织对材料性能影响的评估分析报告.doc

安洛线L415MB带状组织对管材性能影响评估报告0 前言安钢就“安阳洛阳天然气管道工程项目”于1月开始向华油钢管厂供应7.1/81350mm L415MB板卷，在3-5月份供货板卷中浮现某些炉批带状组织为3.5级，未通过华油管厂入厂检查（技术规定不不不大于3级）。为弄清成因及其对钢管影响，华油管厂与安钢共同对钢成分、组织、母材及钢管性能等进行了分析，并试制一根带状组织为3.5级钢管进行常规性能检测及HIC实验，以评估3.5级带状组织原料能否满足管道工程规定。1 带状组织状况1.1 带状组织定义及评级钢带状组织是指奥氏体冷却时不同转变产物呈带状分布特性。华油管厂对带状组织评级原则采用是西气东输二线管道工程用热轧板卷技术条件（Q/SY GJX 0101-）中附录D，带状组织级别是以M/A、珠光体组织条带、贝氏体带条数，同步依照其在视域内贯穿限度、持续性以及夹杂物有关性评估。图1带状组织级别评估为3.5级，即为华油管厂对L415MB某炉入厂检查评估成果。图1 华油管厂对230#带状组织检测金像照片1.2 带状组织成因在中石油管材所出版高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱一书及文献1中均指出，对于管线钢此类低碳钢，带状组织产生主线因素在于成分偏析，连铸坯在凝固过程中碳和其她元素一起发生偏析而富集在枝晶间，在热轧再加热时，碳能相对均匀化，而其她元素均匀化却很困难，导致钢中各区域化学成分不均匀，经轧制后变为条带偏析。有些资料表白在偏析严重状况下，带上合金含量可比基体高出12倍。为考查带状组织成因，选用带状级别为3.5级金相组织（炉号为L004681）做SEM分析，在条带和基体上各取4个点进行了能谱分析，如图2所示，分析成果如下：图2 能谱分析取点示意图条带1#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.741.77Fe 98.2698.23总量100.00条带2#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.811.84Fe 98.1998.16总量100.00条带3#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.771.80Fe 98.2398.20总量100.00条带4#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.821.85Fe 98.1898.15总量100.00 基体1#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.571.60Fe 98.4398.40总量100.00基体2#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.521.54Fe 98.4898.46总量100.00基体3#点: 元素重量比例原子比例Mn 1.521.54Fe 98.4898.46总量100.00基体4#点:元素重量比例原子比例Mn 1.541.57Fe 98.4698.43总量100.00表1 条带和基体Mn含量记录分析元素1234平均值位置Mn1.771.841.81.851.82 条带Fe98.2398.1698.298.1598.19 Mn1.61.541.541.571.56 基体Fe98.498.4698.4698.4398.44 表2 L415MB冶炼化学成分及L004681炉次成分牌号CSiMnPSL415MB内控0.07-0.100.351.50-1.600.0200.010目的0.09-1.550.0150.008L0046810.090.221.520.0140.002NbVTiCrPcm内控0.0180.0350.03-0.0450.0100.0200.18-0.240.21目的0.0250.0350.0120.21-L0046810.0250.0330.0150.190.19表1列出了条带和基体上各点Mn含量，表2为L415MB冶炼化学成分及L004681炉次成分。从能谱分析成果可见，带状组织为3.5级，重要是由Mn元素偏析导致，条带上Mn含量约为基体1.17倍。1.3 带状组织危害中石油管材所出版高强度微合金管线钢显微组织分析与鉴别图谱一书中指出，带状组织对钢横向性能，特别是低温韧性、断口分离、止裂性能以及氢致开裂有重要影响，然而对详细影响限度及规律没有阐明；但也有文献2指出，虽然4级带状组织限度与钢管母材冲击韧性、DWTT实验SA值、抗HIC性能之间并没有可察觉有关性。那么安洛线L415MB3.5级带状组织限度，与否对该管道工程钢管服役构成明显影响呢？为此，通过记录及检查手段，针对3.5级带状组织对钢材性能影响进行了评估。2带状组织对板卷性能影响2.1 拉伸及冷弯实验依照安钢L415MB出厂检查状况，带状组织为3.5级，其冷弯均合格，未浮现任何异常。对不同带状级别拉伸性能进行记录分析，如表3及图3所示，发现带状级别与强度和伸长率之间没有可察觉有关性，强度和伸长率均符合技术合同规定，且屈服强度平均值富裕约60MPa，抗拉强度平均值富裕约70MPa。表3 不同带状级别拉伸性能带状级别样本量屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%aveminmaxaveminmaxaveminmax2209518 465590593 53566529.5 2047.52.514515 475550588 55562027.9 21.538317513 475545590 55061028.9 23.538.53.59516 485555594 56561529.0 2544技术合同规定455-56552018备注：大生产检查取样方向为与轧制方向成45 图3 带状对拉伸性能平均值影响2.2 对冲击韧性影响表4列出了不同带状级别其冲击功及剪切面积记录成果，可见在实验温度下3.5级带状组织没有对冲击功及剪切面积产生可察觉影响。冲击功总体平均值富余50J以上，最小值富裕25J以上，富裕量约为技术合同规定一倍以上。图4为系列温度下冲击韧脆转变曲线，可见3.5级带状组织试样，在-60仍未发生韧脆转变，且有约40J富裕量。对冲击断口进行抽样检查，均未发生断口分离现象。表4 不同带状级别冲击功和剪切面积带状级别样本量冲击功/J剪切面积aveminmaxavemin220994601351002.51498.57011610031796701221003.5910286114100技术合同规定40359080备注：实验温度为-20，试样采用51055mm半尺寸试样图4 系列温度冲击曲线2.3 对DWTT实验影响落锤扯破实验重要用于测定钢裂纹扩展转变温度，是衡量管线钢止裂性能重要指标。依照钢厂出厂检查数据，对不同带状组织级别落锤剪切面积进行了记录分析，见表5。可以看出，在实验温度下，对于带状组织为3.5级，其DWTTSA值均在技术合同规定范畴内，且有较高富余量。表5 不同带状级别落锤剪切面积（实验温度-15）带状级别样本量DWTT SA%avemin220999.2922.51499.1 9631799.0 933.5999.1 97技术合同规定8570对落锤断口形貌进行了抽查，发现带状组织为3.5级与带状组织不大于3级断口形貌没有明显差别，均没有浮现断口分离现象。2.4 对板卷各向异性影响表6列出了不同带状级别不同取样方向拉伸性能，可见强度上均大体呈现为横向纵向45方向，其各方向强度差别大小与带状级别没有明显有关性。表7为不同带状级别下不同方向冲击功，可见冲击功均大体为纵向45方向横向，其各方向差别大小与带状级别没有明显有关性。图5为带状组织为3.5级时，不同方向上DWTTSA%系列温度曲线。可见，在实验系列温度范畴内，不同方向剪切面积没有明显差别。 表6 不同带状级别及不同方向拉伸性能带状组织级别钢卷号试样方向屈服强度抗拉强度屈强比伸长率Rt0.5 (MPa）Rm (MPa)Rt0.5/RmA (%)3.5级纵向5306150.8634.55256050.87335306000.883245方向4855950.8237.55005900.85395005900.8537横向5306050.88305406200.8735.55356250.8633.51级纵向5156050.8534.55406250.87345106200.833545方向4805650.85374955750.8638.54855700.8641横向5256250.84315306400.8337.55306250.8538表7 不同带状级别及不同方向冲击功带状组织级别钢卷号试样方向冲击功（-20）123平均3.5级纵向1131007897 4597779289 横向75927079 1级纵向96113108106 451159098101 横向89979293 图5 带状组织为3.5级时不同方向上DWTTSA%系列温度曲线3 带状组织对制管后性能影响为考查带状组织对制管后性能影响，华油管厂选用了一炉带状组织为3.5级板卷进行试制，并截取管段进行了环焊缝焊接及有关检查，检查报告如下：对此检测成果与华油管厂常规检查数据进行了对比分析。3.1拉伸与冷弯性能表8为采集华油管厂制管后性能检测数据，其中管号S3658（相应钢卷号为，炉号为L002568）为带状3.5级。可见，对于带状3.5级，管体和焊缝强度、延伸率等指标，均在带状3级强度、延伸率正常波动范畴内，且相比技术合同规定，屈服强度有50MPa富余量，抗拉强度有65MPa富余量，屈强比和延伸率均有相称大富余量。冷弯性能均所有合格。表8 华油管厂制管后拉伸性能检测数据带状组织管号取样炉号卷号抗拉强度Rm断口位置屈服强度Rt0.5延伸率屈强比3级S6688管体L00275957044529.50.78焊缝645母材0S6689管体L002759570440290.77焊缝640母材0S7023管体L00454557543029.50.75焊缝655母材0S7071管体L923823570450320.79焊缝650母材0S7101管体L005293575465280.81焊缝645母材0S7150管体L005293565440280.78焊缝650母材0S7196管体L00468056044530.50.79焊缝630母材0S7292管体L004679585480280.82焊缝645母材0S7341管体L004679595455310.76焊缝660母材03.5级S3658管体L002568585465370.79焊缝650母材技术合同规定管体520415-565180.88（容许5%炉批0.90）焊缝5203.2 冲击实验表9为采集华油管厂制管后冲击检测数据，对比可知，无论管体、焊缝或热影响区冲击指标，对于带状3.5级与带状3级均没有明显差别。值得注意是，表7中冲击功数值为半尺寸试样，技术规定值为全尺寸试样，管体和热影响区富余量均在技术合同规定值一倍以上，焊缝富余量也接近一倍，可见制管后冲击性能具备相称大富余量。表9 华油管厂制管后冲击实验检测数据带状组织管号取样炉号卷号冲击功（-20）51055mm剪切面积123平均1233级S2083管体L002426135126137133100100100焊缝100869293100100100热影响区112110106109100100100S2118管体L002419129131132131100100100焊缝103978896100100100热影响区113108116112100100100S2167管体L002419121123119121100100100焊缝10094116103100100100热影响区95909894100100100S2333管体L002563116120109115100100100焊缝899510095100100100热影响区10311399105100100100S2512管体L002325121139133131100100100焊缝84768180100100100热影响区93908188100100100S2561管体L002325116121119119100100100焊缝89908187100100100热影响区100102107103100100100S2655管体L002567132146128135100100100焊缝959810399100100100热影响区1121061071081001001003.5级S3658管体L002568142130127133100100100焊缝968710295100100100热影响区105109100105100100100技术规定（101055mm）管体4560焊缝3855热影响区38553.3 落锤实验表10为采集华油管厂制管后落锤实验检测数据，对比可知，对于带状3.5级与带状3级DWTT性能没有明显差别，且与技术合同规定有较大富余量。表10 华油管厂制管后DWTT实验检测数据带状组织管号取样炉号卷号实验温度剪切面积12平均3级S2083管体L002426-5100100100S2333管体L002563-5100100100S2382管体L002563-5100100100S2512管体L002325-5100100100S2561管体L002325-5100100100S2655管体L002567-5100100100S2704管体L002567-5100100100S2753管体L002567-5100100100S2762管体L002562-5100100100S2811管体L002562-5100100100S2860管体L002562-51001001003.5级S3658管体L002568-5100100100技术规定管体-570854 静水压爆破实验静水压爆破实验是指采用静水压注法在密闭试样上持续加压，使钢管发生变形直至爆破，并运用一定办法测定钢管承压过程变形状况，管体性能扩展等特性值。华油钢管厂对试制S3671钢管（带状组织为3.5级）进行了静水压爆破实验，鉴定成果合格。5 带状组织对抗HIC性能影响氢致裂纹HIC是指金属材料在含H2S介质作用下，由电化学腐蚀过程中析出氢进入金属材料内部产生阶梯型裂纹，这些裂纹生产发育最后导致金属材料发生开裂。有文献2指出，控制带状组织级别规定，其重要目正是出于对钢材抗HIC性能考虑。安阳洛阳天然气管道工程输送介质重要成分见表11，其设计压力为6.3MPa。从设计参数来看，对本工程管材并没有抗HIC性能规定。并且，技术规定中对化学成分中S含量做了严格限定（规定S0.010），钢厂实际冶炼时将S含量严格控制在S0.003，这间接保证了钢材具备一定抗HIC性能。表11 天然气组分组分分子量摩尔分数（mol%）N228.0140.47CO244.0110.55CH416.04396.01C2H630.072.26C3H844.0970.43C4H1058.120.15C5+72.1510.13为进一步考查钢材抗HIC性能状况，针对试制带状组织为3.5级钢管，华油管厂委托天津钢管集团股份有限公司检测中心进行了抗HIC检查，检查报告见附录B。根据NACE TM0284-原则（B溶液），分别对母材1组3个试样和焊缝1组3个试样进行HIC实验。经96小时HIC实验，母材和焊缝试样表面均未发现氢鼓泡现象，裂纹长度率CLR、裂纹厚度率CTR、裂纹敏感率CSR均为零。综上可以以为，虽然浮现带状组织为3.5级，但钢材仍具备较强抗HIC性能。6 结论（1）安洛线L415MB所浮现带状组织3.5级，重要由于Mn元素偏析导致；（2）带状组织浮现3.5级，对板卷强度、冲击功等常规检查力学性能指标均没有可察觉影响，对板卷各向异性、韧脆转变温度、DWTT断口等也没有明显影响，且板卷各项力学性能指标相比技术规定均有较大富余量。（3）带状组织浮现3.5级，对钢管强度、冲击功等指标均没有可察觉影响，且钢管各项力学性能指标相比技术规定均有较大富余量。（4）带状组织浮现3.5级，钢管静水压爆破实验鉴定合格。（5）带状组织浮现3.5级，对钢材抗HIC性能没有产生明显影响，钢材仍具备较强抗HIC性能。（6）因而，对于带状组织为3.5级原料，制管后依然可以满足管道工程规定。参照文献1 李家鼎，麻庆申等. 高档别管线钢中几种常用带状组织浅析. 轧钢，26(6):16-21.2 李平全，霍春勇等. 两种组织类型X70钢级管线钢带状组织浅析. 钢管，35(2):15-20.附 L415MB抗HIC性能报告