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厚规格管线钢板探伤不合原因分析及改进措施


管线钢广泛应用于原油、成品油、天然气、城市管道煤气及水煤浆等物质的输送,其内部质量直接影响工程的安全性和可靠性。为保证管线钢产品质量,管线钢板生产厂也将无损探伤用于管线钢的质量保证。但是目前,国内外对管线钢板探伤缺陷的研究还大都集中在冶炼和轧制工艺对合格率的影响以及造成探伤不合格的钢种缺陷方面,对高级别管线钢针对性研究还较少,而这一方面的研究对高级别管线钢的产品质量和合同兑现率又具有指导意义。本文通过金相、扫描及能谱等分析手段,对引起厚规格X70管线钢探伤不合的原因进行深入分析,并提出了解决此类问题应采取的工艺措施。

1 缺陷的表现形式

X70管线钢板探伤不合主要有两种表现形式,一种是在距钢板边部100-150mm左右、沿着钢板轧制方向呈间断不连续分布的缺陷,可以通过切边解决,但容易造成钢板宽度不合而改判;另一种是分布在钢板宽度四分之一部位的点状密集缺陷。缺陷在钢板上呈点状、长条状等多种形式,其主要类型是偏析和裂纹,这两种缺陷有时单独、有时同时在钢板上出现。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

26.2mm厚X70管线钢板采用转炉冶炼→VD(RH)精炼→连铸→TMCP轧制→矫直→探伤工艺生产,化学成分要求见表1所示。

2.2 试验方法

试样从现场轧制后探伤发现缺陷的钢板上制取。为了准确捕捉到缺陷部位,取样前先用超声波探伤仪对钢板探伤缺陷进行准确定位,并按照要求取样,再对加工好的试样进行金相、扫描电镜和能谱仪检验。

 

表1 X70管线钢板的化学成分/%

元素
 C
 Si
 Mn
 P
 S
 Alt
 Nb
 Ni
 Mo
 Ti
 
含量
 0.085
 0.180
 1.616
 ≤0.006
 ≤0.003
 0.033
 0.058
 0.22
 0.17
 0.016
 

 

3超声波探伤检测

 3.1 探伤检测

26.2mm厚X70管线钢板的夹杂物及带状组织检验结果见表2所示。

对钢板进行实时超声波探伤跟踪后发现,探伤不合位置主要位于每张钢板宽度的边部和四分之一处,分别使用单、双晶探头对钢板进行检测,探伤结果一致。

3.2 探伤波形图分析

厚规格X70管线钢板执行ASTM A435标准。对探伤波峰高、波乱位置进行分析,明确探伤不合的钢板上缺陷的位置,观察其波形特点, 探伤波形见图1。

 

表2  夹杂物及带状组织检验

级别
 规格(mm)
 探伤结果
 检验项目及结果(级)
 
非金属夹杂物
 带状组织
 
X70
 26.2
 不合
 A0.5  B2.0  C1.5  D1.0
 3.0
 

  

 

图1探伤 不合波形图

 

由图1可见,各次底波之前的缺陷波开始几次逐渐升高,然后再逐渐降低,说明钢板中存在较大缺陷,这种现象是由于不同反射路径声波互相叠加造成的,称为叠加效应。路径多,叠加能量多,缺陷回波高,但当路径进一步增加时,衰减也迅速增加,这时衰减的影响比叠加效应更大,因此缺陷波升高到一定程度后又逐渐降低。

4.试验与分析

试验管线钢的基体组织主要为粒状贝氏体和少量块状铁素体,粒状贝氏体强度高,铁素体韧性较好,两种组织良好的匹配可获得性能优异的钢板。

从钢板头部制取1号试样,从钢板边部

制取2号试样,金相显微镜下显示两个钢板试样心部均存在明显裂纹,其中1号试样的裂纹长度近1400mm,贯穿整张裂纹照片;2号试样也同样存在类似心部裂纹。 因此,可以说探伤不合主要由钢板心部裂纹造成。

为查找裂纹起源,对1、2号试样进行扫描电镜组织和能谱分析,两个试样在扫描电镜下的显微组织 形貌表明,钢板心部存在多条长度600-1500μm裂纹簇。可以确定裂纹簇是影响钢板探伤不合主要原因。

从图2裂纹能谱图中可明显看出 ,心部组织以粒状贝氏体组织为主,裂纹贯穿整个视野,裂纹开裂处及周边部位出现异于其他部位的组织。异常组织强度高、脆性大、宜开裂,相变应力大,是造成钢板在冷却过程中沿 钢板内部薄脆弱处开裂的原因之一。

2号试样(1000×)
 2号试样能谱分析
 
图2裂纹能谱图照片
 

 

为探明裂纹部位成分,对关注点进行了能谱分析。从图2和图3能谱分析图观察到没有熔化到基体内部的Nb铁块,Nb铁块的存在应与坯料在加热炉内加热时间比较短有关,Nb的化合物没有完全固溶到奥氏体组织中,导致Nb在轧制和冷却过程 中不能与基体熔合而产生内部微裂纹。

裂纹起源处同时存在MnS条状夹杂物,其原因一方面是钢水在凝固末期由于选分结晶作用,Mn、S元素在铸坯中心富集形成MnS夹杂物,另一方面,铸坯在加热炉加热时间比较短,中心部位偏析,Mn元素没有完全进入奥氏体组织中,在轧制过程中变形完全进入奥氏体组织中,在轧制过程中变形内应力作用中心部位Mn元素偏析严重,导致与基体Fe的分离,产生钢板内部微裂纹,裂纹沿着MnS夹杂的边沿扩展,导致钢板超声波探伤不合【2】。通过扫描电镜观察可以看出,钢中存在宽度约20μm、长度100μm的MnS夹杂,其形貌如图3所示。


图3  钢板扫描及能谱

 

5.改进措施

5.1提高钢水纯净度,减少非金属夹杂物含量。

从扫描 电镜、能谱仪分析结果看出,钢板裂纹处主要以大型硫化物等非金属夹杂物为主。所以在生产有探伤要求的钢板时,为保证钢水质量,对铁水进行深脱硫,并加优质废钢,以减少外来夹杂物对钢水纯净度的影响;另一方面强化现场操作,提高终点控制水平,减少点吹次数,降低钢水中的氧含量,从而降低钢中夹杂物总量,保证LF炉埋弧良好,防止碳棒电离空气污染钢水。在保证生产节奏的前提下,对钢水进行真空脱气处理。提高钢水纯净度,减少夹杂物的含量。

5.2关注重点合金元素和钢坯加热工艺

从炼钢工序开始, 在出钢过程中时保证一次加入足量铌铁合金,采取炼钢工序强化精炼设备的维护,同时在保证铸机连续生产的前提下延长钢水的软吹时间,促进钢中夹杂物的上浮,避免LF炉处理后期补加;由于部分Nb等合金元素没有充分固溶到基体中,没有发挥出合金元素的作用,还造成钢板微裂纹,应控制钢坯加热温度和时间,使钢坯烧透,这样既可促进偏析元素的扩散溶解,又不至于使钢板组织中的奥氏体晶粒异常长大。保证钢坯加热时炉膛温度在1170℃,加热时间4h以上,使析出物充分固溶。

5.3改善连铸坯质量及轧钢工艺

钢水及连铸坯质量是产生探伤不合的内在根本原因。尤其是连铸坯内部质量可直接影响探伤结果,强化连铸坯内部质量是提高探伤板合格率的有效手段。应降低连铸坯过热度,采用连铸末端动态轻压下技术减轻连铸坯的中心偏析;强化连铸坯下线堆垛缓冷工艺,保证铸坯堆冷48h,促使钢中[H]的向外扩散。在轧钢工序加大粗轧阶段单道次压下量,增加压缩比,使变形充分渗透,起到焊合铸坯中的疏松和显微气孔的作用,并合理控制轧制温度,保证冷却水配比合理,实现均匀冷却,以减少钢板内部应力,防止钢板产生微裂纹,轧制后钢板下线缓冷 24小时。

通过以上措施,钢水中A、B、C、D类夹杂物均在1.0级以下,纯净度得到明显提高;铸坯中心偏析得到明显改善;铸坯中微小缺陷被充分焊合,探伤合格率提高30%。

6.结论

铸坯内部的中心偏析、疏松、夹杂物及微裂纹等缺陷在钢液凝固过程中相伴而生、相互影响,是导致厚规格X70管线钢板探伤不合的根本原因。在炼钢、连铸工序提高钢水纯净度、连铸坯质量,优化板坯加热及轧制工艺可有效提高钢板探伤合格率。在轧钢工序强化加热、轧制及热处理工艺可以在一定程度上减轻原始缺陷对探伤的影响。

 


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