带状组织对材料性能影响的评估报告样本.doc

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安洛线L415MB带状组织对管材性能影响的
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月份供货的板卷中出现部分炉批带状组织为3.5级, 未经过华油管厂入厂检验( 技术要求不大于3级) 。为弄清成因及其对钢管的影响, 华油管厂与安钢共同对钢的成分、 组织、 母材及钢管的性能等进行了分析, 并试制一根带状组织为3.5级的钢管进行常规性能检测及HIC试验, 以评估3.5级带状组织的原料能否满足管道工程要求。
1 带状组织状况
1.1 带状组织的定义及评级
钢的带状组织是指奥氏体冷却时不同的转变产物呈带状分布的特征。
华油管厂对带状组织的评级标准采用的是《西气东输二线管道工程用热轧板卷技术条件( Q/SY GJX 0101- ) 》中的附录D, 带状组织的级别是以M/A、 珠光体组织条带、 贝氏体带的条数, 同时根据其在视域内的贯穿程度、 连续性以及夹杂物的相关性评定的。
图1的带状组织级别评定为3.5级, 即为华油管厂对L415MB某炉入厂检验的评定结果。

图1 华油管厂对230#带状组织检测的金像照片
1.2 带状组织的成因
在中石油管材所出版的《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, 对于管线钢这类低碳钢, 带状组织产生的根本原因在于成分偏析, 连铸坯在凝固过程中碳和其它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, 而其它元素均匀化却很困难, 造成钢中各区域化学成分的不均匀, 经轧制后变为条带偏析。有些资料表明在偏析严重的情况下, 带上的合金含量可比基体高出1～2倍。
为考查带状组织成因, 选取带状级别为3.5级的金相组织( 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, 分析结果如下:

图2 能谱分析取点示意图

条带1#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.74
1.77
Fe
98.26
98.23
总量
100.00

条带2#点:

元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.81
1.84
Fe
98.19
98.16
总量
100.00

条带3#点:

元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.77
1.80
Fe
98.23
98.20
总量
100.00

条带4#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.82
1.85
Fe
98.18
98.15
总量
100.00

基体1#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.57
1.60
Fe
98.43
98.40
总量
100.00

基体2#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.52
1.54
Fe
98.48
98.46
总量
100.00

基体3#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.52
1.54
Fe
98.48
98.46
总量
100.00

基体4#点:
元素
重量百分比
原子百分比
Mn
1.54
1.57
Fe
98.46
98.43
总量
100.00

表1 条带和基体Mn含量统计分析
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
目标
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
目标
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的Mn含量, 表2为L415MB冶炼的化学成分及L004681炉次成分。从能谱分析结果可见, 带状组织为3.5级, 主要是由Mn元素偏析造成, 条带上Mn含量约为基体的1.17倍。
1.3 带状组织的危害
中石油管材所出版的《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, 带状组织对钢的横向性能, 特别是低温韧性、 断口分离、 止裂性能以及氢致开裂有重要的影响, 然而对具体的影响程度及规律没有说明; 但也有文献[2]指出, 即使4级的带状组织程度与钢管母材冲击韧性、 DWTT试验的SA值、 抗HIC性能之间并没有可察觉的相关性。
那么安洛线L415MB的3.5级带状组织程度, 是否对该管道工程的钢管服役构成明显影响呢? 为此, 经过统计及检验手段, 针对3.5级带状组织对钢材性能的影响进行了评估。
2带状组织对板卷性能的影响
2.1 拉伸及冷弯试验
根据安钢L415MB出厂检验情况, 带状组织为3.5级的, 其冷弯均合格, 未出现任何异常。对不同带状级别的拉伸性能进行统计分析, 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的相关性, 强度和伸长率均符合技术协议要求, 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 不同带状级别的拉伸性能
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
技术协议要求
455-565
≥520
≥18
备注: 大生产检验取样方向为与轧制方向成45°

图3 带状对拉伸性能平均值的影响
2.2 对冲击韧性的影响
表4列出了不同带状级别其冲击功及剪切面积的统计结果, 可见在试验温度下3.5级带状组织没有对冲击功及剪切面积产生可察觉的影响。冲击功总体平均值富余50J以上, 最小值富裕25J以上, 富裕量约为技术协议要求的一倍以上。
图4为系列温度下的冲击韧脆转变曲线, 可见3.5级带状组织的试样, 在-60℃仍未发生韧脆转变, 且有约40J的富裕量。
对冲击断口进行抽样检查, 均未发生断口分离现象。

表4 不同带状级别的冲击功和剪切面积
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

技术协议要求
≥40
≥35

≥90
≥80
备注: 试验温度为-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试验的影响
落锤撕裂试验主要用于测定钢的裂纹扩展转变温度, 是衡量管线钢止裂性能的重要指标。
根据钢厂出厂检验数据, 对不同带状组织级别的落锤剪切面积进行了统计分析, 见表5。能够看出, 在试验温度下, 对于带状组织为3.5级的, 其DWTT的SA值均在技术协议要求的范围内, 且有较高富余量。
表5 不同带状级别的落锤剪切面积( 试验温度-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
技术协议要求
≥85
≥70

对落锤断口形貌进行了抽查, 发现带状组织为3.5级与带状组织小于3级的断口形貌没有明显差异, 均没有出现断口分离现象。
2.4 对板卷各向异性的影响
表6列出了不同带状级别不同取样方向的拉伸性能, 可见强度上均大致呈现为横向＞纵向＞45°方向, 其各方向强度差异大小与带状级别没有明显相关性。
表7为不同带状级别下不同方向的冲击功, 可见冲击功均大致为纵向＞45°方向＞横向, 其各方向差异大小与带状级别没有明显相关性。
图5为带状组织为3.5级时, 不同方向上DWTT的SA%系列温度曲线。可见, 在试验的系列温度范围内, 不同方向的剪切面积没有明显差异。

表6 不同带状级别及不同方向的拉伸性能
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的冲击功
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DWTT的SA%系列温度曲线
3 带状组织对制管后性能的影响
为考查带状组织对制管后性能的影响, 华油管厂选取了一炉带状组织为3.5级的板卷进行试制, 并截取管段进行了环焊缝焊接及相关检验, 检验报告如下:

对此检测结果与华油管厂常规检验数据进行了对比分析。
3.1拉伸与冷弯性能
表8为采集的华油管厂制管后性能检测数据, 其中管号S3658( 对应钢卷号为, 炉号为L002568) 为带状3.5级。可见, 对于带状3.5级的, 管体和焊缝的强度、 延伸率等指标, 均在带状≤3级的强度、 延伸率的正常波动范围内, 且相比技术协议要求, 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当大的富余量。冷弯性能均全部合格。

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

技术协议要求
管体

≥520

415-565
≥18
≤0.88
( 允许5%的炉批≤0.90)
焊缝

≥520

3.2 冲击试验
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、 焊缝或热影响区的冲击指标, 对于带状3.5级与带状≤3级的均没有明显差异。值得注意的是, 表7中冲击功数值为半尺寸试样, 技术要求值为全尺寸试样, 管体和热影响区的富余量均在技术协议要求值的一倍以上, 焊缝的富余量也接近一倍, 可见制管后冲击性能具有相当大的富余量。

表9 华油管厂制管后冲击试验检测数据
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
技术要求
( 10×10×55mm)
管体

≥45
≥60

焊缝

≥38
≥55

热影响区

≥38
≥55

3.3 落锤试验
表10为采集华油管厂制管后落锤试验检测数据, 对比可知, 对于带状3.5级与带状≤3级的DWTT性能没有明显差异, 且与技术协议要求有较大富余量。

表10 华油管厂制管后DWTT试验检测数据
带状组织
管号
取样
炉号
卷号
试验温度
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
技术要求
管体

-5
≥70
≥85
4 静水压爆破试验
静水压爆破试验是指采用静水压注法在密闭的试样上持续加压, 使钢管发生变形直至爆破, 并运用一定的方法测定钢管承压过程变形情况, 管体性能扩展等特征值。
华油钢管厂对试制的S3671钢管( 带状组织为3.5级) 进行了静水压爆破试验, 判定结果合格。
5 带状组织对抗HIC性能的影响
氢致裂纹HIC是指金属材料在含H2S介质的作用下, 由电化学腐蚀过程中析出的氢进入金属材料内部产生阶梯型裂纹, 这些裂纹的生产发育最终导致金属材料发生开裂。有文献[2]指出, 控制带状组织级别的要求, 其主要目的正是出于对钢材抗HIC性能的考虑。
安阳——洛阳天然气管道工程输送介质的主要成分见表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性能要求。而且, 技术要求中对化学成分中S含量做了严格限定( 要求[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有一定的抗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性能情况, 针对试制的带状组织为3.5级的钢管, 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检验, 检验报告见附录B。依据NACE TM0284- 标准( 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试验。经96小时HIC试验, 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。
综上能够认为, 虽然出现带状组织为3.5级, 但钢材仍具有较强的抗HIC性能。
6 结论
( 1) 安洛线L415MB所出现的带状组织3.5级, 主要由于Mn元素偏析导致;
( 2) 带状组织出现3.5级, 对板卷强度、 冲击功等常规检验的力学性能指标均没有可察觉的影响, 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要求均有较大富余量。
( 3) 带状组织出现3.5级, 对钢管的强度、 冲击功等指标均没有可察觉的影响, 且钢管各项力学性能指标相比技术要求均有较大的富余量。
( 4) 带状组织出现3.5级, 钢管静水压爆破试验判定合格。
( 5) 带状组织出现3.5级, 对钢材抗HIC性能没有产生明显影响, 钢材仍具有较强的抗HIC性能。
( 6) 因此, 对于带状组织为3.5级的原料, 制管后依然能够满足管道工程要求。
参考文献
[1] 李家鼎, 麻庆申等. 高级别管线钢中几种常见带状组织浅析. 轧钢, , 26(6):16-21.
[2] 李平全, 霍春勇等. 两种组织类型的X70钢级管线钢的带状组织浅析. 钢管, , 35(2):15-20.附 L415MB抗HIC性能报告