代緒成１,劉中民１,劉 宏２,辛宏光２,白培植１,安洪濤１

(１．海洋石油工程股份有限公司,青島 ２６６５２０;２．海洋石油工程(青島)有限公司,青島 ２６６５２０)

摘 要:某公司生產(chǎn)的規(guī)格為PL２０mm×３０００mm×１２０００mm 的S３５５ML＋Z３５鋼板在使用前復驗檢出厚方向(z 向)性能不合格.采用斷口宏觀分析、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗等方法,對S３５５ML＋Z３５鋼板z 向性能不合格原因進行了分析.結果表明:z 向性能不合格是由該板材試樣不當?shù)暮附硬僮髟斐傻?建議規(guī)范 CO２ 氣體保護電弧焊的焊接操作,減少焊縫中的擴散氫.

關鍵詞:z 向性能;CO２ 氣體保護電弧焊;帶狀組織;焊接工藝;氫脆

中圖分類號:TG４４４ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１３

S３５５ML＋Z３５鋼為歐洲標準的可焊接細晶粒結構鋼,因其具有良好的抗層狀撕裂性能,廣泛應用于大型船舶、橋梁、起重設備、高層建筑、海洋石油平臺等各種焊接鋼結構件[１].某公司生產(chǎn)的規(guī)格為PL２０mm×３０００mm×１２０００mm 的 S３５５ML＋Z３５鋼板用于海上石油平臺運輸過程中的裝船固定拉筋,鋼板在使用前進行厚度方向(z 向)性能復驗.

由于鋼板厚度方向的厚度不足以直接加工成拉伸試樣,故采用文獻[２]推薦的 CO２氣體保護電弧焊焊接試樣夾持端,焊接接頭形式及工藝參數(shù)分別見圖１

和別為 ２８％,３２％,３１％,平 均 值 為 ３０％,不 符 合 EN１０１６４:２００４要求的最低值３５％.為查明 S３５５ML＋Z３５鋼板z向性能不合格原因,筆者采用斷口宏觀分析、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗等方法對其進行了檢驗和分析.

１ 理化檢驗

１．１ 斷口宏觀分析

復驗完成的３件z 向性能不合格試樣的斷口宏觀形貌如圖２所示,試樣斷裂位置均位于鋼板厚度中間處.斷口面相對平齊,且無明顯縮頸現(xiàn)象,為典型的脆性斷口.從厚度方向拉伸試驗斷口宏觀形貌看,斷面分為纖維區(qū)和白斑區(qū).其中白斑區(qū)形狀主要有橢圓形、鴨嘴形、圓形等,且白斑區(qū)面積約占斷口總面積的６０％~７０％.

１．２ 化學成分分析

在z 向 性 能 不 合 格 試 樣 取 樣 位 置 附 近 截 取３０mm×３０mm×２０mm的化學成分分析試樣,依據(jù) GB/T４３３６－２００２使用SPECTROLABM１０型火花直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,試驗結果如表２所示.可見該z 向鋼板各元素含量均符合EN１００２５Ｇ４:２００４ 的 技 術 要 求,未 見 有 成 分 異 常現(xiàn)象.

１．３ 力學性能試驗

１．３．１ 拉伸試驗

在z 向性能不合格試樣取樣位置附近取樣,并制?。硞€橫向拉伸試樣,分別編號為１~３號.試樣形狀為圓形,尺寸為?１０mm×２５０mm,如圖３所

示.根 據(jù) BS ENISO ６８９２Ｇ１:２００９,室 溫 下 采 用WAWＧ１０００C型萬能試驗機進行拉伸試驗,結果見表３.可見,上屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率均符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技術要求.

１．３．２ 夏比沖擊試驗

在距離鋼板表面２ mm 處取一組夏比沖擊試樣,分別 編 號 為 ４~６ 號.夏 比 沖 擊 試 樣 尺 寸 為１０mm×１０ mm×５５mm,如圖 ４ 所示.依據(jù) EN１００２５Ｇ４:２００４采用JBWＧ３００B型屏顯沖擊試驗機進行夏比沖擊試驗,試驗溫度為－４０ ℃,結果見表４.可見夏比沖擊試驗的結果也符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技術要求.

１．４ 金相分析

從z 向性能不合格拉伸試樣的焊接結合處、斷口處分別取樣并加工成金相試樣,并在z 向性能不合格試樣取樣位置附近另取全厚度金相試樣.研磨、拋光后的金相試樣經(jīng)４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液侵蝕后,采用 OLY MPUSＧGX５１ 型光學顯微鏡觀察顯微組織.

１．４．１ z 向性能不合格試樣

圖５為z 向性能不合格拉伸試樣斷口處和焊接結合處的顯微組織形貌.圖５a)斷口處顯微組織為塊狀鐵素體和帶狀分布的珠光體;圖５b)焊接結合處熱影響區(qū)顯微組織是均勻分布的鐵素體和珠光體,且晶粒非常細小,母材側顯微組織為鐵素體和帶狀珠光體.

１．４．２ z 向性能不合格試樣取樣位置附近

在z 向 性 能 不 合 格 試 樣 取 樣 位 置 附 近 取 全厚度 金 相 試 樣,分 別 在 上 表 面、厚 度 １/４、厚 度１/２、厚度３/４、下 表 面 等 ５ 處 位 置 進 行 顯 微 組 織觀察,如圖６所示.可見顯 微 組 織 均 為 塊 狀 鐵 素體＋帶狀 珠 光 體,越 靠 近 厚 度 中 間 位 置,帶 狀 珠光體組織越嚴重,且 在 厚 度 中 間 位 置 處 存 在 明 顯的偏析.

１．５ 非金屬夾雜物分析

根據(jù)ISO４９６７:２０１３«鋼中非金屬夾雜物含量的評定———標準評級圖顯微檢驗法»,在z 向性能不合格試樣斷口處取垂直于斷面的試樣進行非金屬夾雜物含量評定,結果見表５.非金屬夾雜物作為獨立相存在于鋼中,破壞了鋼基體的連續(xù)性,嚴重影響了鋼的各種性能[３].而表５夾雜物分析結果表明:該鋼板純凈度較高,不含有對z向性能危害很大的粗大長條

狀 A類夾雜物,也不含有對z 向性能危害較大的大顆粒狀B類以及粗大長條狀C類夾雜物.

２ 分析與討論

有研究表明[４],當鋼中硫含量 ws≤０．００６％時,z 向性能才有所保障,當 ws≤０．００３％時,z 向性能才有明顯的改善和提高.導致鋼板z 向性能不合的主要原因之一為 MnS夾雜物[５],引起z 向性能不合格的最重要的元素是硫元素[６].從化學成分分析結果可知,該z 向性能不合格鋼板的化學成分符合技術標準 要 求,且 硫 含 量 低 至 ０．００１６％ (質(zhì) 量 分

數(shù)),極大地減少了長條狀 MnS夾雜物的含量.該z 向性能不合格鋼板的力學性能也符合標準技術要術,且鋼中的非金屬夾雜物含量較低,鋼板的潔凈度較高.因此,鋼板z 向性能不合格的原因并非化學成分和 MnS夾雜物所致.在同批次復驗中,相同焊接條件下其他爐號鋼板z 向性能均合格.對合格鋼板進行金相檢驗發(fā)現(xiàn)其在中間厚度位置處帶狀珠光體組織較少,且不存在偏析.而z 向不合格性能鋼板在試樣斷口處和全厚度金相試樣中間厚度處有嚴重的帶狀組織,并存在一定的偏析.帶狀組織是連鑄板坯選分結晶造成的,板坯加熱時,合金元素和硫等雜質(zhì)的擴散系數(shù)低,均勻化比較困難,難以消除偏析[７Ｇ８].

在z 向拉伸試樣斷口上觀察到圓形、橢圓形、鴨嘴型的白斑,該白斑為氫致開裂斷口的典型宏觀形貌.形成白色斑點的原因通常有兩種:一種是以夾雜物為核心觸發(fā)的“魚眼”;另一種是由于氫的聚集所引起的氫脆[９].通過非金屬夾雜物分析得知該z 向鋼板中夾雜物較少,因而該白斑主要是由于氫聚集導致的.對現(xiàn)場焊接施工的調(diào)查得知,焊接時正處于海邊潮濕炎熱的夏季;焊材雖采用低氫焊絲,但由于焊接工作量小,焊絲采用工程余料,無真空包裝且長時間裸露受潮;焊工未嚴格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程,焊前未對鋼板進行預熱.上述不合規(guī)的焊接操作成為氫的重要來源.為了驗證氫的具體來源,在z 向性能不合格試樣取樣位置附近取樣,采用摩擦焊加 工 z 向 拉 伸 試 驗,測 得 斷 面 收 縮 率 分 別 為７４．１％,７３％,６５％,平均值為７１％.采用摩擦焊方法試驗結果均合格,從而驗證該鋼板氫脆主要由不當?shù)暮附硬僮鲗е碌?

３ 結論及建議

S３５５ML＋Z３５鋼板z 向性能不合格主要是由鋼板z 向試樣不當?shù)暮附硬僮饕鸬?鋼板試樣不當?shù)暮附硬僮饕鸷缚p區(qū)域擴散氫的含量增加,在外力的作用下誘發(fā)層狀撕裂,導致z 向拉伸斷面收縮率下降.建議在條件允許的情況下,可采用螺柱焊或摩擦焊等焊接方法進行z 向拉伸試驗夾持端的焊接.

采用 CO２ 氣體保護電弧焊時,加強現(xiàn)場焊接監(jiān)督,規(guī)范焊接操作,以減少焊縫中的擴散氫.具體措施主要有:制定適用的焊接工藝規(guī)程,并對焊接過程進行全過程監(jiān)控,使用低氫焊材,并加強焊接材料管理,防止焊接材料受潮吸氫;焊前進行鋼板預熱,并達到焊接工藝規(guī)程規(guī)定的預熱溫度;焊后在２５０ ℃環(huán)境下保溫２~３h進行消氫處理等.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊 > 2018年 > 3期 > pp.213）