带状组织对材料性能影响的评估报告.docx

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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7.1/8×1350mmL415MB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/SYGJX0101-2007）》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2L415MB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，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

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

2

0

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。

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

DWTTSA%

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/Rm

A（%）

3.5级

0624014800

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

0624011900

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

0624014800

纵向

113

100

78

97

45°

97

77

92

89

横向

75

92

70

79

1级

0624011900

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022*******，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

L

29.5

0.78

焊缝

645

母材

0

S6689

管体

L

29

0.77

焊缝

640

母材

0

S7023

管体

L

29.5

0.75

焊缝

655

母材

0

S7071

管体

L923823

01

450

32

0.79

焊缝

650

母材

0

S7101

管体

L

28

0.81

焊缝

645

母材

0

S7150

管体

L

28

0.78

焊缝

650

母材

0

S7196

管体

L

12900

560

445

30.5

0.79

焊缝

630

母材

0

S7292

管体

L

28

0.82

焊缝

645

母材

0

S7341

管体

L

31

0.76

焊缝

660

母材

0

3.5级

S3658

管体

L

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

L

1

00

焊缝

1

100

100

热影响区

112

11

00

100

S2118

管体

L

0

100

焊缝

1

100

100

热影响区

1

100

100

100

S2167

管体

L

119

121

100

100

100

焊缝

1

00

100

100

热影响区

95

9

100

S2333

管体

L

109

1

焊缝

89

95

1

00

热影响区

103

1

00

100

S2512

管体

L

0

100

焊缝

84

76

8

0

热影响区

93

90

8

0

S2561

管体

L

119

119

100

100

100

焊缝

89

90

8

0

热影响区

1

100

100

100

S2655

管体

L

100

焊缝

95

98

1

00

热影响区

112

1

100

100

3.5级

S3658

管体

L

0

100

焊缝

96

87

1

00

热影响区

1

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

L

1

100

S2333

管体

L

0

100

S2382

管体

L

0

100

S2512

管体

L

0

100

S2561

管体

L

0

100

S2655

管体

L

0

100

S2704

管体

L

0

100

S2753

管体

L

0

100

S2762

管体

L

0

100

S2811

管体

L

0

100

S2860

管体

L

0

100

3.5级

S3658

管体

L

0

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NACETM0284-2003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、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