带状组织对材料性能影响的评估报告.docx

1、带状组织对材料性能影响的评估报告安洛线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2010年1月开始向华油钢管厂供应7.1/81350mm L415MB板卷，在3-5月份供货的板卷中出现部分炉批带状组织为3.5级，未通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

2、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 0101-2007）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他元素一起发生偏析而

3、富集在枝晶间，在热轧再加热时，碳能相对均匀化，而其他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12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 1.741.77Fe 98.2698.23总量100.00条带2#点: 元素重量百分比原子百分比Mn 1.811.84Fe 98.1998.16总量100.00条带3#点: 元素重量百

4、分比原子百分比Mn 1.771.80Fe 98.2398.20总量100.00条带4#点: 元素重量百分比原子百分比Mn 1.821.85Fe 98.1898.15总量100.00 基体1#点: 元素重量百分比原子百分比Mn 1.571.60Fe 98.4398.40总量100.00基体2#点: 元素重量百分比原子百分比Mn 1.521.54Fe 98.4898.46总量100.00基体3#点: 元素重量百分比原子百分比Mn 1.521.54Fe 98.4898.46总量100.00基体4#点:元素重量百分比原子百分比Mn 1.541.57Fe 98.4698.43总量100.00表1 条带和

5、基体Mn含量统计分析元素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目标0.09-1.550.0150.008L0046810.090.221.520.0140.002NbVTiCrPcm内控0.0180.0350.03-0.0450.0100.0200.18-0.24

6、0.21目标0.0250.0350.0120.21-L0046810.0250.0330.0150.190.19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

7、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，通过统计及检验手段，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

8、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技术协议要求455-56552018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

9、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aveminmaxavemin2202.51498.57011610031796701221003.5910286114100技术协议要求40359080备注：试验温度为-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试验的影响落锤撕

10、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。可以看出，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%avemin220999.2922.51499.1 9631799.0 933.5999.1 97技术协议要求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

11、表6列出了不同带状级别不同取样方向的拉伸性能，可见强度上均大体呈现为横向纵向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，可见冲击功均大体为纵向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/RmA (%)3.5级0624014800纵向5306150.8634.552

12、56050.87335306000.883245方向4855950.8237.55005900.85395005900.8537横向5306050.88305406200.8735.55356250.8633.51级0624011900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的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0624014800纵向

13、1131007897 4597779289 横向75927079 1级0624011900纵向96113108106 451159098101 横向89979293 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022*，炉号为L002568）为带状3.5级。可见，对于带

14、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L29.50.78焊缝645母材0S6689管体L290.77焊缝640母材0S7023管体L29.50.75焊缝655母材0S7071管体L92382301450320.79焊缝650母材0S7101管体L280.81焊缝645母材0S7150管体L

15、280.78焊缝650母材0S7196管体L1290056044530.50.79焊缝630母材0S7292管体L280.82焊缝645母材0S7341管体L310.76焊缝660母材03.5级S3658管体L370.79焊缝650母材技术协议要求管体520415-565180.88（允许5%的炉批0.90）焊缝5203.2 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

16、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）51055mm剪切面积123平均1233级S2083管体L100焊缝1100100热影响区1121100100S2118管体L0100焊缝1100100热影响区1100100100S2167管体L119121100100100焊缝100100100热影响区959100S2333管体L1091焊缝8995100热影响区103100100S2512管体L0100焊缝847680热影响区939080S2561管体L119119100100100焊缝899080热影响区110010

17、0100S2655管体L100焊缝9598100热影响区11211001003.5级S3658管体L0100焊缝9687100热影响区1100100100技术要求（101055mm）管体4560焊缝3855热影响区38553.3 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12平均3级S2083管体L1100S2333管体L0100S2382管体L0100S2512管体L0100S2561管体L0100S2655

18、管体L0100S2704管体L0100S2753管体L0100S2762管体L0100S2811管体L0100S2860管体L01003.5级S3658管体L0100技术要求管体-570854 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

19、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%）N228.0140.47CO244.0110.55CH416.04396.01C2H630.072.26C3H844.0970.43C4H1058.120.15C

20、5+72.1510.13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 TM0284-2003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。综上可以认为，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

21、、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，制管后仍然可以满足管道工程要求。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，2009，26(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，2006，35(2):15-20.附 L415MB抗HIC性能报告