海洋平臺用鋼板超聲波探傷不合原因分析及改善措施

侯登義

(山鋼集團(tuán)濟(jì)南鋼鐵股份有限公司)

海洋平臺用鋼板超聲波探傷不合原因分析及改善措施

侯登義

(山鋼集團(tuán)濟(jì)南鋼鐵股份有限公司)

對海洋平臺用鋼板探傷不合部位進(jìn)行了觀察、分析。結(jié)果表明，鋼板厚度中心珠光體帶狀組織中的微裂紋是造成探傷不合的主要原因。根據(jù)分析檢測結(jié)果，提出了相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，并取得了實際效果。

海洋平臺鋼板 超聲波探傷 中心偏析

0 前言

海洋平臺用鋼板是濟(jì)鋼的重點高效產(chǎn)品之一，隨著國家海洋石油開發(fā)步伐的加快，其產(chǎn)量越來越大。質(zhì)量要求比造船板更嚴(yán)格，除一般常規(guī)性能外，還要求逐張進(jìn)行超聲波探傷檢驗，需滿足 ASTmA578中的 levelB級水平。在實際生產(chǎn)中經(jīng)常不規(guī)律出現(xiàn)多批探傷不合。因此，亟需查找鋼板內(nèi)部缺陷的成因，提高該鋼探傷合格率，為企業(yè)降低損失。

1 探傷不合缺陷微觀分析

1.1 低倍檢驗

分別取超聲波探傷合格與不合格的鋼板的全厚度試樣，試樣經(jīng)過銑床、平面磨床加工后獲得光潔表面，光潔表面在1∶1的工業(yè)鹽酸和水的混合液中在85℃侵蝕20min，清洗掉侵蝕劑后獲得鋼板的低倍組織。超聲波探傷合格鋼板試樣和超聲波探傷不合格鋼板試樣的典型低倍組織如圖1所示。

圖1 鋼板試樣的低倍組織1×

低倍檢驗表明超聲波探傷不合格鋼板內(nèi)部多存在較明顯的中心線偏析，參照 Y B/T4003-1997標(biāo)準(zhǔn)，主要為 C類中心偏析，評級為 C2.0；而對于超聲波探傷合格鋼板，鋼板中心的偏析線較輕，評級為 C1.0。

1.2 金相分析

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，引起鋼板超聲波探傷不合的內(nèi)部缺陷多出現(xiàn)在鋼板厚度的中心區(qū)域，因此對鋼板的金相分析重點在鋼板厚度的中心區(qū)域進(jìn)行。鋼板試樣經(jīng)過磨制、拋光后用4％的硝酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，獲得鋼板的金相組織，并在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下進(jìn)行組織觀察。

超聲波探傷不合格鋼板的的金相分析顯示鋼板厚度中心區(qū)域的金相組織與鋼板其它區(qū)域的金相組織不同，光學(xué)顯微鏡下觀察如圖2所示。比較不同倍數(shù)的金相組織，均有帶狀組織存在，黑色珠光體條帶明顯，中心區(qū)域珠光體的比例大，且珠光體帶的寬度較寬。500倍下可見細(xì)小裂紋，觀察不到明顯的夾雜物。帶狀組織兩側(cè)為鐵素體 +珠光體組織，帶狀內(nèi)部的組織較復(fù)雜，類似珠光體聚集。

圖2 超聲波探傷不合鋼板的金相組織

1.3 微觀缺陷 SEM觀察

對于超聲波探傷不合格的鋼板，在不同厚度規(guī)格鋼板試樣中均存在出現(xiàn)于珠光體帶狀組織中的微裂紋，掃描電子顯微鏡下觀察如圖3所示。微裂紋斷斷續(xù)續(xù)分布，最長的2mm以上，其他部位偶爾出現(xiàn)極短的裂紋。探傷結(jié)果顯示，不合區(qū)域大約在表面下13mm(鋼板厚25mm)，與心部裂紋部位吻合。

圖3 心部裂紋背散射圖像

在鋼板厚度的中心區(qū)域，在珠光體帶狀組織中存在較多的塑性夾雜物，為 (M n、Fe)S類型塑性夾雜，尺寸較小，不足以引起探傷不合。M nS夾雜數(shù)量不多，尺寸也不大；在裂紋內(nèi)部和附近分布較多的是三角狀、方形的Nb、Ti的氮化物，尺寸不大，數(shù)量較多。SE M觀察夾雜物如圖4所示，夾雜物能譜如圖5所示。

裂紋周圍的組織與基體組織有明顯差異。珠光體含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍基體，說明裂紋位置 C含量高于其他部位，從而形成心部明顯的 C、M n偏析帶。

圖4 塑性夾雜物照片

圖5 夾雜物能譜

對于超聲波探傷合格的鋼板，在所有進(jìn)行分析的試樣中，大部分試樣中不存在微裂紋。超聲波探傷合格鋼板試樣中也存在塑性夾雜物，夾雜物也多出現(xiàn)于珠光體帶狀組織中，尤其是寬度較大(20μm以上)的珠光體帶中，但與超聲波探傷不合格鋼板相比，由于鋼板厚度中心珠光體的比例少，20μm以上寬度珠光體帶的數(shù)量少，因此塑性夾雜物的數(shù)量也少。

2 原因分析

探傷不合的鋼板中心偏析嚴(yán)重，并且鋼板中部夾雜物含量比較高，是鋼板缺陷產(chǎn)生的源頭。鋼板探傷不合表現(xiàn)形式反映到鑄坯上，主要是中心部位的偏析所導(dǎo)致的。偏析是由于凝固過程中的選擇結(jié)晶導(dǎo)致凝固后鑄坯成分的不均勻現(xiàn)象。根據(jù)凝固理論解釋，鋼水在凝固初期，溫度梯度大，鋼液冷卻速度快，形成邊部細(xì)的等軸晶，該區(qū)組織較為致密，成分偏析較輕；凝固末期，由于選分結(jié)晶作用，最后凝固的鋼液必然含有較多的雜質(zhì)，尤其是鋼中的易偏析元素 S等都偏聚于此；再者，鋼液溫度降低，鋼液變粘，加上雜質(zhì)元素偏聚，使固液兩相區(qū)的鋼液變得更粘稠，補縮無法進(jìn)行。另外，凝固過程中氣體不是均勻分布在鋼坯各個部位，而是容易向鋼中的薄弱部位如疏松、偏析處聚集；凝固后期鋼中 O、S元素濃度明顯增加，當(dāng)這些元素富集到足夠高時，與 Si、M n發(fā)生反應(yīng)，生成 SiO2、M nO及M nS夾雜物殘留在鋼坯中[1]?？梢?，鋼液凝固過程中形成的缺陷不是孤立存在，而是緊密相連的，鑄坯中疏松、偏析、氣泡、夾雜物等缺陷總是相伴而生，這些缺陷在低倍樣宏觀表現(xiàn)主要為偏析和疏松。而鋼坯中心部位是凝固時最薄弱的環(huán)節(jié)，更是缺陷最為集中聚集的部位，取樣分析結(jié)果也證明，該部位正是與探傷缺陷嚴(yán)重的位置相對應(yīng)(鋼板中心處)。另一方面，鑄坯中疏松、氣孔及小型夾雜物在后期的軋制過程中是可以焊合的。而M nS在壓縮比較小時，軋后硫化物夾雜很難與基體焊合，而是在鋼板長度方向上呈平行于板面的帶、條狀分布[2]。

3 改善措施和效果

造成探傷不合格的主要原因有中心偏析、分層、疏松及非金屬夾雜物等。為此，制訂了以下工藝措施來加以改善。

1)控制硫含量，包括鐵水預(yù)處理、優(yōu)化廢鋼資源等，優(yōu)化與完善脫硫后鋼水的鈣處理工藝，控制好M nS夾雜在鋼水中的形態(tài)，避免Ⅱ類(長條狀)M nS出現(xiàn)；適當(dāng)增加LF處理后軟吹時間，促進(jìn)各類夾雜物的上浮與排除。凡是30mm以上的探傷板都進(jìn)行 LF (VD)處理，精煉處理后鋼水w(S)小于0.006％[3]。

2)扇形段離線整備時要求內(nèi)外弧對弧偏差控制在 ±0.15mm，1～6段開口度控制在 ±0.3 mm，7～12段輥縫值偏差控制在 ±0.5 mm。

3)鑄坯實行冷送模式，有利于氫等元素的擴(kuò)散，減少氣體含量。保證鑄坯加熱時間和加熱品質(zhì)，以促進(jìn)鑄坯偏析元素的擴(kuò)散，減輕偏析。適當(dāng)降低預(yù)熱段溫度，避免鑄坯在加熱過程中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力。

4)采用高溫大壓下軋制方式，增強(qiáng)變形滲透，破碎鑄坯原有的內(nèi)部組織中粗大的柱狀晶或枝晶，改變或減輕偏析和疏松，充分壓合顯微氣孔。

5)軋后堆垛緩冷，減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級別。

逐步采取上述措施后，鋼板超聲波探傷批次性不合的問題得到了解決，探傷合格率明顯提高，由以前的 80％提高到了目前的95％以上。

4 結(jié)語

對海洋工程用鋼板的檢測表明：由于中心偏析，使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生了微裂紋缺陷，從而導(dǎo)致了超聲波探傷不合格。通過在煉鋼、連鑄、加熱、軋制等工序采取一系列措施，可以明顯改善該缺陷。

1)鋼板中引起超聲波探傷不合格的內(nèi)部缺陷是鋼板厚度中心珠光體帶狀組織中的微裂紋，連鑄板坯的中心線偏析被保留到鋼板組織中是鋼板中微裂紋形成的內(nèi)部條件；

2)鑄坯冷送有利于氫元素擴(kuò)散，減輕偏析，可明顯提高探傷合格率；

3)高溫大壓下軋制可以改變或減輕偏析和疏松；

4)軋制后對鋼板進(jìn)行堆垛緩冷，有利于減輕鋼板斷面帶狀組織，降低鑄坯中心偏析級別，提高探傷合格率。

[1]安守勇，趙展鵬，郭弘.60kg級高強(qiáng)度鋼板探傷不合的原因分析及改進(jìn)措施.寬厚板，2009，15(1)：5-6.

[2]崔風(fēng)平，趙乾，唐愈等.鑄坯內(nèi)部缺陷對鋼板分層形成的影響.中國冶金，2008(2)：17-18.

[3]胡根榮.提高厚規(guī)格鋼板探傷合格率的研究.江西冶金，2008，28(4)：19-20.

ANALYSIS AND IM PROVEM ENTM EASURES ON THE CAUSES O F NONCONFORM ITY IN ULTRASON IC FLAW DETECT ION FOR OFFSHORE PLATFORM STEEL

Hou Dengyi (Jinan Iron and SteelL im ited Company of Shan Steel)

The offshore p latform steel p late location w ith nonconformity in u ltrasonic flaw detection are exam ined and analyzed to determ ine themain causes.The results indicated that themain causes of disqualification of steel p late was tiny crack in pearlite banded structure of central in p late thickness.based on the exam ination and analysis resu lt，relevant imp rovem entm easures are p roposed，obtain the actual effect.

offsho re p latformsteel p late u ltrasonic flaw detection central segregation

＊聯(lián)系人：侯登義，工程師，山東.濟(jì)南(250101)，山鋼集團(tuán)濟(jì)南鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；

2010—5—7