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7.1/8×1350mm 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1～2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
1.74
1.77
Fe
98.26
98.23
总量
100.00

条带2#点:

元素
重量比例
原子比例
Mn
1.81
1.84
Fe
98.19
98.16
总量
100.00

条带3#点:

元素
重量比例
原子比例
Mn
1.77
1.80
Fe
98.23
98.20
总量
100.00

条带4#点:
元素
重量比例
原子比例
Mn
1.82
1.85
Fe
98.18
98.15
总量
100.00

基体1#点:
元素
重量比例
原子比例
Mn
1.57
1.60
Fe
98.43
98.40
总量
100.00

基体2#点:
元素
重量比例
原子比例
Mn
1.52
1.54
Fe
98.48
98.46
总量
100.00

基体3#点:
元素
重量比例
原子比例
Mn
1.52
1.54
Fe
98.48
98.46
总量
100.00

基体4#点:
元素
重量比例
原子比例
Mn
1.54
1.57
Fe
98.46
98.43
总量
100.00

表1 条带和基体Mn含量记录分析
元素
1
2
3
4
平均值
位置
Mn
1.77
1.84
1.8
1.85
1.82
条带
Fe
98.23
98.16
98.2
98.15
98.19
Mn
1.6
1.54
1.54
1.57
1.56
基体
Fe
98.4
98.46
98.46
98.43
98.44

表2 L415MB冶炼化学成分及L004681炉次成分
牌号

C
Si
Mn
P
S
L415MB
内控
0.07-0.10
≤0.35
1.50-1.60
≤0.020
≤0.010
目的
0.09
-
1.55
≤0.015
≤0.008
L004681
0.09
0.22
1.52
0.014
0.002

Nb
V
Ti
Cr
Pcm
内控
0.018~0.035
0.03-0.045
0.010~0.020
0.18-0.24
≤0.21
目的
0.025
0.035
0.012
0.21
-

L004681
0.025
0.033
0.015
0.19
0.19

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/%
ave
min
max
ave
min
max
ave
min
max
≤2
209
518
465
590
593
535
665
29.5
20
47.5
2.5
14
515
475
550
588
555
620
27.9
21.5
38
3
17
513
475
545
590
550
610
28.9
23.5
38.5
3.5
9
516
485
555
594
565
615
29.0
25
44
技术合同规定
455-565
≥520
≥18
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
ave
min
max
ave
min
≤2
209
94
60
135
100

2.5
14
98.5
70
116
100

3
17
96
70
122
100

3.5
9
102
86
114
100

技术合同规定
≥40
≥35

≥90
≥80
备注：实验温度为-20℃，试样采用5×10×55mm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%
ave
min
≤2
209
99.2
92
2.5
14
99.1
96
3
17
99.0
93
3.5
9
99.1
97
技术合同规定
≥85
≥70

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/Rm
A (%)
3.5级

纵向
530
615
0.86
34.5
525
605
0.87
33
530
600
0.88
32
45°方向
485
595
0.82
37.5
500
590
0.85
39
500
590
0.85
37
横向
530
605
0.88
30
540
620
0.87
35.5
535
625
0.86
33.5
1级

纵向
515
605
0.85
34.5
540
625
0.87
34
510
620
0.83
35
45°方向
480
565
0.85
37
495
575
0.86
38.5
485
570
0.86
41
横向
525
625
0.84
31
530
640
0.83
37.5
530
625
0.85
38

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℃）
1
2
3
平均
3.5级

纵向
113
100
78
97
45°
97
77
92
89
横向
75
92
70
79
1级

纵向
96
113
108
106
45°
115
90
98
101
横向
89
97
92
93

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
L002759

570

445
29.5
0.78
焊缝
645
母材

0
S6689
管体
L002759

570

440
29
0.77
焊缝
640
母材

0
S7023
管体
L004545

575

430
29.5
0.75
焊缝
655
母材

0
S7071
管体
L923823

570

450
32
0.79
焊缝
650
母材

0
S7101
管体
L005293

575

465
28
0.81
焊缝
645
母材

0
S7150
管体
L005293

565

440
28
0.78
焊缝
650
母材

0
S7196
管体
L004680

560

445
30.5
0.79
焊缝
630
母材

0
S7292
管体
L004679

585

480
28
0.82
焊缝
645
母材

0
S7341
管体
L004679

595

455
31
0.76
焊缝
660
母材

0
3.5级
S3658
管体
L002568

585

465
37
0.79
焊缝
650
母材

技术合同规定
管体

≥520

415-565
≥18
≤0.88
（容许5%炉批≤0.90）
焊缝

≥520

3.2 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℃）
5×10×55mm
剪切面积
1
2
3
平均
1
2
3
≤3级
S2083
管体
L002426

135
126
137
133
100
100
100
焊缝
100
86
92
93
100
100
100
热影响区
112
110
106
109
100
100
100
S2118
管体
L002419

129
131
132
131
100
100
100
焊缝
103
97
88
96
100
100
100
热影响区
113
108
116
112
100
100
100
S2167
管体
L002419

121
123
119
121
100
100
100
焊缝
100
94
116
103
100
100
100
热影响区
95
90
98
94
100
100
100
S2333
管体
L002563

116
120
109
115
100
100
100
焊缝
89
95
100
95
100
100
100
热影响区
103
113
99
105
100
100
100
S2512
管体
L002325

121
139
133
131
100
100
100
焊缝
84
76
81
80
100
100
100
热影响区
93
90
81
88
100
100
100
S2561
管体
L002325

116
121
119
119
100
100
100
焊缝
89
90
81
87
100
100
100
热影响区
100
102
107
103
100
100
100
S2655
管体
L002567

132
146
128
135
100
100
100
焊缝
95
98
103
99
100
100
100
热影响区
112
106
107
108
100
100
100
3.5级
S3658
管体
L002568

142
130
127
133
100
100
100
焊缝
96
87
102
95
100
100
100
热影响区
105
109
100
105
100
100
100
技术规定
（10×10×55mm）
管体

≥45
≥60

焊缝

≥38
≥55

热影响区

≥38
≥55

3.3 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
1
2
平均
≤3级
S2083
管体
L002426

-5
100
100
100
S2333
管体
L002563

-5
100
100
100
S2382
管体
L002563

-5
100
100
100
S2512
管体
L002325

-5
100
100
100
S2561
管体
L002325

-5
100
100
100
S2655
管体
L002567

-5
100
100
100
S2704
管体
L002567

-5
100
100
100
S2753
管体
L002567

-5
100
100
100
S2762
管体
L002562

-5
100
100
100
S2811
管体
L002562

-5
100
100
100
S2860
管体
L002562

-5
100
100
100
3.5级
S3658
管体
L002568

-5
100
100
100
技术规定
管体

-5
≥70
≥85
4 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[S]≤0.010），钢厂实际冶炼时将S含量严格控制在[S]≤0.003，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%）
N2
28.014
0.47
CO2
44.011
0.55
CH4
16.043
96.01
C2H6
30.07
2.26
C3H8
44.097
0.43
C4H10
58.12
0.15
C5+
72.151
0.13
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