耐低溫無縫不鏽鋼管表麵缺陷的研究
欄目:行業動態 發布時間:2021-05-10
9Ni無縫不鏽鋼管軋製過程中外表麵易出現通體缺陷,這種缺陷視檢不可見,但在超聲探傷過程中報警。金相觀察結果顯示,此類缺陷皆為細小的外折及微裂紋

1引言

近年來,LNG(液化天然氣)作為一種優質高效的清潔能源得到了越來越多的重視。目前已被廣泛應用於發電、化工原料、新型汽車燃料、民用燃料的領域。我國是能源消耗大國。隨著經濟的發展,對LN己的需求量日益增加。有文獻預測到2020年我國天然氣的年消耗量將達到2x10 11 m3,其中約有40%需要進口。因此天然氣的存儲和運輸成了解決國家能源需求,保障能源安全的關鍵問題。在天然氣的存儲及運輸過程中,LNG儲罐必不可少。天然氣常壓液化溫度為-162℃,因此LNG儲罐內膽需要優異的超低溫性能。

目前,Ni係低溫鋼是國際上通用的低溫用鋼,由於其優良的低溫韌性,廣泛的用於-40~-196℃的低溫設備及容器中。其中Ni含量為9wt%的低溫鋼使用溫度最低,可低於-196℃。9Ni鋼為鐵素體型用鋼,低溫(-196℃)衝擊可功達到200-300J,是深冷環境下使用的韌性最好的材料,且其具有良好冷加工性、焊接性、抗裂紋擴展性,因而成為製備LNG儲罐的理想材料。

目前9Ni板材生產技術較為成熟,國內已有太鋼、南鋼等企業可以生產。但是國內9Ni無縫不鏽鋼管的生產技術尚不成熟,有待進一步開發,且9Ni的相關研究資料主要集中於成分調整、板材軋製工藝、熱處理工藝、組織演變以及焊接工藝等方麵。但是對於產品表麵質量及其控製並未提及。本文采用針對采用Assel斜軋生產線製備的9Ni無縫不鏽鋼管表麵存在的缺陷進行了深入的討論分析,並指出問題所在,以填補這一方麵空白。

2實驗材料及方法

2.1原料製備

本實驗采用原料為9Ni鋼鑄坯經電渣重熔、鍛造後所成200圓坯。坯料的成分表1所示。經過超聲探傷及著色探傷結果顯示坯料內外無缺陷。

圓坯於Assel斜軋生產線軋製成 152x16 mm無縫鋼管,環形爐溫度為1 150℃,變形各步驟參數表2所示。

2.2缺陷分析相關實驗

采用手動超聲探傷以定位缺陷,取樣。采用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜(EDS)觀察樣品拋光後,及4%酸酒精溶液腐蝕後的樣品。

自剩餘坯料上去工作段為10 mm的熱模擬拉仲樣品,在Gleehle3500熱模擬試驗機上進行800-1 250℃熱模擬拉仲實驗。拉伸速率為0.01/S。

自剩餘坯料上取10 mmx10 mmx10mm、的金相樣品,在1 100℃條件下,分別氧化1h,2h,4h,8h。對高溫氧化樣品進行金相觀察。

3實驗結果及分析

3.1成品管缺陷分析

視檢結果顯示成品管內外表麵質量較好,光滑傷。但是超聲探傷結果顯示不鏽鋼成品管內表麵無傷,表麵存在通體缺陷。圖1為OM觀察到的成品管外表麵缺陷。

可以發現不鏽鋼管外表麵缺陷為軋製過程中齧合了的細小外折及裂紋,見圖1(a)。可以推測,裂紋及外折的形成階段在定徑之前,且在定徑過成中發生齧合。經測量,最大外折深度為0.8 mm。不難發現,所有裂紋及外折周邊都並不光滑,而是有一層經過氧化的晶界,且裂紋的延伸方向是沿著晶界的,見圖1(b).(c)。不僅如此,在管體未顯示缺陷的正常表麵上除了有氧化層的覆蓋外,氧化層與管體金屬之間的界麵也並不光滑,而是有一層晶界氧化層,見圖1(d)。晶界氧化層的存在會大幅度降低管體的變形性。

對氧化層及氧化物進行掃描電鏡及能譜觀察,結果如圖2所示。低倍下由無縫不鏽鋼管外表麵向內延伸的線掃描結果見圖2(a),顯示表麵氧化層僅為Fe的氧化物,Ni,Si,Mn並不參與氧化反應,此外,在氧化過程中Ni原子明顯由氧化層相金屬表麵擴散,而Si, Mn元素的擴散不明顯。無縫不鏽鋼管表麵內的晶界氧化形貌及能譜結果見圖2(b),晶界氧化會導致細小裂紋在晶界之間出現。且晶界氧化物與外氧化層相仿,為Fe的氧化物,Ni原子在氧化過程中向晶內擴散。

綜合以上結果認為,9Ni無縫不鏽鋼管表麵缺陷的形成有兩種可能性:一種是材料本身在變形過程中塑性不夠,導致裂紋與外折形成;另一種是材料表麵氧化引起表麵缺陷,表麵缺陷在變形過程中放大成為裂紋與外折。

3.2熱模擬拉伸實驗結果及分析

為了研究材料高溫塑性,進行了一係列熱模擬拉伸實驗。

可以發現900-1 200℃為9Ni鋼的高塑性區,其拉伸變形量可達90%以上。對比軋管各個階段的變形量與變形溫度,不難發現穿孔與斜軋兩個步驟都在高塑性區,且變形量遠小於材料的變形能力。定徑步驟最後階段溫度雖然低於900℃,但是前麵的分析已經表明,管體外表而的缺陷形成在定徑之前。因此可以認為,本次軋製中出現的小外折與裂紋不是由於材料本身塑性不佳引起的。

3.3高溫氧化實驗結果及分析

在1 100℃經不同時間氧化樣品的形貌如圖4所示。

可見,雖然為氧化樣品表麵光滑,見圖4(a),但是1h後氧化層與金屬界麵之間就出現了細小的晶界氧化,見圖4(b)。隨著氧化時間延長,晶界氧化深度進一步加深,見圖4(c).(d)。此時晶界氧化速度大於氧化層相金屬內推進速度。當晶界氧化深度達到一定程度以後,隨著氧化時間延長,氧化層厚度進一步增加,但是晶界氧化深度不再進一步加大,見圖4(e)。可見此時晶界氧化及氧化層相金屬內部推進的速度達到了平衡。

這一結果顯示,在高溫保溫條件下,9Ni無縫不鏽鋼管外表麵由晶界氧化導致的脆性表麵及微裂紋一直存在。這樣的表麵在無縫不鏽鋼管加工的變形過程中勢必會引起表麵缺陷。

4結論

本文通過對9Ni無縫不鏽鋼管表麵缺陷的分析,結合熱模擬、高溫氧化等實驗的論證,可以得到以下結論:

9Ni無縫不鏽鋼管軋製過程中外表麵易出現通體缺陷,這種缺陷視檢不可見,但在超聲探傷過程中報警。金相觀察結果顯示,此類缺陷皆為細小的外折及微裂紋。

不同溫度下的熱模擬拉伸實驗結果顯示,9Ni無縫不鏽鋼管在軋製溫度範圍內的熱塑性遠高於軋製變形量,表明這種表麵缺陷與材料的高溫變形能力無關。

高溫氧化實驗結果顯示,9Ni無縫不鏽鋼管在高溫下存在嚴重的晶界氧化,這種晶界氧化的存在會降低材料表麵的可加工性,是導致成品管表麵缺陷的根本原因。