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(fù)驗(yàn)檢出厚方向(z 向)性能不合格.采用斷口宏觀分析、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)S３５５ML＋Z３５鋼板z 向性能不合格原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:z 向性能不合格是由該板材試樣不當(dāng)?shù)暮附硬僮髟斐傻?建議規(guī)范 CO２ 氣體保護(hù)電弧焊的焊接操作,減少焊縫中的擴(kuò)散氫.

關(guān)鍵詞:z 向性能;CO２ 氣體保護(hù)電弧焊;帶狀組織;焊接工藝;氫脆

中圖分類號(hào):TG４４４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１３

S３５５ML＋Z３５鋼為歐洲標(biāo)準(zhǔn)的可焊接細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼,因其具有良好的抗層狀撕裂性能,廣泛應(yīng)用于大型船舶、橋梁、起重設(shè)備、高層建筑、海洋石油平臺(tái)等各種焊接鋼結(jié)構(gòu)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(tái)運(yùn)輸過程中的裝船固定拉筋,鋼板在使用前進(jìn)行厚度方向(z 向)性能復(fù)驗(yàn).

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(xiàn)[２]推薦的 CO２氣體保護(hù)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(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 斷口宏觀分析

復(fù)驗(yàn)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(duì)平齊,且無(wú)明顯縮頸現(xiàn)象,為典型的脆性斷口.從厚度方向拉伸試驗(yàn)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(xué)成分分析

在z 向 性 能 不 合 格 試 樣 取 樣 位 置 附 近 截 ?。常癿m×３０mm×２０mm的化學(xué)成分分析試樣,依據(jù) GB/T４３３６－２００２使用SPECTROLABM１０型火花直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,試驗(yàn)結(jié)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(shù) 要 求,未 見 有 成 分 異 ?，F(xiàn)象.

１．３ 力學(xué)性能試驗(yàn)

１．３．１ 拉伸試驗(yàn)

在z 向性能不合格試樣取樣位置附近取樣,并制?。硞€(gè)橫向拉伸試樣,分別編號(hào)為１~３號(hào).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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表３.可見,上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技術(shù)要求.

１．３．２ 夏比沖擊試驗(yàn)

在距離鋼板表面２ mm 處取一組夏比沖擊試樣,分別 編 號(hào) 為 ４~６ 號(hào).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(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為－４０ ℃,結(jié)果見表４.可見夏比沖擊試驗(yàn)的結(jié)果也符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技術(shù)要求.

１．４ 金相分析

從z 向性能不合格拉伸試樣的焊接結(jié)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?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后,采用 OLY MPUSＧGX５１ 型光學(xué)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(jié)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(jié)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(xì)小,母材側(cè)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(jìn) 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(yán)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(píng)定———標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»,在z 向性能不合格試樣斷口處取垂直于斷面的試樣進(jìn)行非金屬夾雜物含量評(píng)定,結(jié)果見表５.非金屬夾雜物作為獨(dú)立相存在于鋼中,破壞了鋼基體的連續(xù)性,嚴(yán)重影響了鋼的各種性能[３].而表５夾雜物分析結(jié)果表明:該鋼板純凈度較高,不含有對(duì)z向性能危害很大的粗大長(zhǎng)條

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

２ 分析與討論

有研究表明[４],當(dāng)鋼中硫含量 ws≤０．００６％時(shí),z 向性能才有所保障,當(dāng) ws≤０．００３％時(shí),z 向性能才有明顯的改善和提高.導(dǎo)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(xué)成分分析結(jié)果可知,該z 向性能不合格鋼板的化學(xué)成分符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 要 求,且 硫 含 量 低 至 ０．００１６％ (質(zhì) 量 分

數(shù)),極大地減少了長(zhǎng)條狀 MnS夾雜物的含量.該z 向性能不合格鋼板的力學(xué)性能也符合標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要術(shù),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(xué)成分和 MnS夾雜物所致.在同批次復(fù)驗(yàn)中,相同焊接條件下其他爐號(hào)鋼板z 向性能均合格.對(duì)合格鋼板進(jìn)行金相檢驗(yàn)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(yán)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(jié)晶造成的,板坯加熱時(shí),合金元素和硫等雜質(zhì)的擴(kuò)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(diǎn)的原因通常有兩種:一種是以?shī)A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(dǎo)致的.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的調(diào)查得知,焊接時(shí)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(wú)真空包裝且長(zhǎng)時(shí)間裸露受潮;焊工未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程,焊前未對(duì)鋼板進(jìn)行預(yù)熱.上述不合規(guī)的焊接操作成為氫的重要來(lái)源.為了驗(yàn)證氫的具體來(lái)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(yàn),測(cè) 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(yàn)結(jié)果均合格,從而驗(yàn)證該鋼板氫脆主要由不當(dāng)?shù)暮附硬僮鲗?dǎo)致的.

３ 結(jié)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(dāng)?shù)暮附硬僮饕鸬?鋼板試樣不當(dāng)?shù)暮附硬僮饕鸷缚p區(qū)域擴(kuò)散氫的含量增加,在外力的作用下誘發(fā)層狀撕裂,導(dǎo)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(jìn)行z 向拉伸試驗(yàn)夾持端的焊接.

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

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