分享：S３５５ML＋Z３５钢板厚度方向性能不合格原因分析

代绪成１,刘中民１,刘 宏２,辛宏光２,白培植１,安洪涛１

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

摘 要:某公司生产的规格为PL２０mm×３０００mm×１２０００mm 的S３５５ML＋Z３５钢板在使用前复验检出厚方向(z 向)性能不合格.采用断口宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法,对S３５５ML＋Z３５钢板z 向性能不合格原因进行了分析.结果表明:z 向性能不合格是由该板材试样不当的焊接操作造成的.建议规范 CO２ 气体保护电弧焊的焊接操作,减少焊缝中的扩散氢.

关键词:z 向性能;CO２ 气体保护电弧焊;带状组织;焊接工艺;氢脆

中图分类号:TG４４４ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０３Ｇ０２１３

S３５５ML＋Z３５钢为欧洲标准的可焊接细晶粒结构钢,因其具有良好的抗层状撕裂性能,广泛应用于大型船舶、桥梁、起重设备、高层建筑、海洋石油平台等各种焊接钢结构件[１].某公司生产的规格为PL２０mm×３０００mm×１２０００mm 的 S３５５ML＋Z３５钢板用于海上石油平台运输过程中的装船固定拉筋,钢板在使用前进行厚度方向(z 向)性能复验.

由于钢板厚度方向的厚度不足以直接加工成拉伸试样,故采用文献[２]推荐的 CO２气体保护电弧焊焊接试样夹持端,焊接接头形式及工艺参数分别见图１

和别为 ２８％,３２％,３１％,平 均 值 为 ３０％,不 符 合 EN１０１６４:２００４要求的最低值３５％.为查明 S３５５ML＋Z３５钢板z向性能不合格原因,笔者采用断口宏观分析、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法对其进行了检验和分析.

１ 理化检验

１．１ 断口宏观分析

复验完成的３件z 向性能不合格试样的断口宏观形貌如图２所示,试样断裂位置均位于钢板厚度中间处.断口面相对平齐,且无明显缩颈现象,为典型的脆性断口.从厚度方向拉伸试验断口宏观形貌看,断面分为纤维区和白斑区.其中白斑区形状主要有椭圆形、鸭嘴形、圆形等,且白斑区面积约占断口总面积的６０％~７０％.

１．２ 化学成分分析

在z 向 性 能 不 合 格 试 样 取 样 位 置 附 近 截 取３０mm×３０mm×２０mm的化学成分分析试样,依据 GB/T４３３６－２００２使用SPECTROLABM１０型火花直读光谱仪对试样进行化学成分分析,试验结果如表２所示.可见该z 向钢板各元素含量均符合EN１００２５Ｇ４:２００４ 的 技 术 要 求,未 见 有 成 分 异 常现象.

１．３ 力学性能试验

１．３．１ 拉伸试验

在z 向性能不合格试样取样位置附近取样,并制取３个横向拉伸试样,分别编号为１~３号.试样形状为圆形,尺寸为?１０mm×２５０mm,如图３所

示.根 据 BS ENISO ６８９２Ｇ１:２００９,室 温 下 采 用WAWＧ１０００C型万能试验机进行拉伸试验,结果见表３.可见,上屈服强度、抗拉强度、断后伸长率均符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技术要求.

１．３．２ 夏比冲击试验

在距离钢板表面２ mm 处取一组夏比冲击试样,分别 编 号 为 ４~６ 号.夏 比 冲 击 试 样 尺 寸 为１０mm×１０ mm×５５mm,如图 ４ 所示.依据 EN１００２５Ｇ４:２００４采用JBWＧ３００B型屏显冲击试验机进行夏比冲击试验,试验温度为－４０ ℃,结果见表４.可见夏比冲击试验的结果也符合 EN１００２５Ｇ４:２００４技术要求.

１．４ 金相分析

从z 向性能不合格拉伸试样的焊接结合处、断口处分别取样并加工成金相试样,并在z 向性能不合格试样取样位置附近另取全厚度金相试样.研磨、抛光后的金相试样经４％(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后,采用 OLY MPUSＧGX５１ 型光学显微镜观察显微组织.

１．４．１ z 向性能不合格试样

图５为z 向性能不合格拉伸试样断口处和焊接结合处的显微组织形貌.图５a)断口处显微组织为块状铁素体和带状分布的珠光体;图５b)焊接结合处热影响区显微组织是均匀分布的铁素体和珠光体,且晶粒非常细小,母材侧显微组织为铁素体和带状珠光体.

１．４．２ z 向性能不合格试样取样位置附近

在z 向 性 能 不 合 格 试 样 取 样 位 置 附 近 取 全厚度 金 相 试 样,分 别 在 上 表 面、厚 度 １/４、厚 度１/２、厚度３/４、下 表 面 等 ５ 处 位 置 进 行 显 微 组 织观察,如图６所示.可见显 微 组 织 均 为 块 状 铁 素体＋带状 珠 光 体,越 靠 近 厚 度 中 间 位 置,带 状 珠光体组织越严重,且 在 厚 度 中 间 位 置 处 存 在 明 显的偏析.

１．５ 非金属夹杂物分析

根据ISO４９６７:２０１３«钢中非金属夹杂物含量的评定———标准评级图显微检验法»,在z 向性能不合格试样断口处取垂直于断面的试样进行非金属夹杂物含量评定,结果见表５.非金属夹杂物作为独立相存在于钢中,破坏了钢基体的连续性,严重影响了钢的各种性能[３].而表５夹杂物分析结果表明:该钢板纯净度较高,不含有对z向性能危害很大的粗大长条

状 A类夹杂物,也不含有对z 向性能危害较大的大颗粒状B类以及粗大长条状C类夹杂物.

２ 分析与讨论

有研究表明[４],当钢中硫含量 ws≤０．００６％时,z 向性能才有所保障,当 ws≤０．００３％时,z 向性能才有明显的改善和提高.导致钢板z 向性能不合的主要原因之一为 MnS夹杂物[５],引起z 向性能不合格的最重要的元素是硫元素[６].从化学成分分析结果可知,该z 向性能不合格钢板的化学成分符合技术标准 要 求,且 硫 含 量 低 至 ０．００１６％ (质 量 分

数),极大地减少了长条状 MnS夹杂物的含量.该z 向性能不合格钢板的力学性能也符合标准技术要术,且钢中的非金属夹杂物含量较低,钢板的洁净度较高.因此,钢板z 向性能不合格的原因并非化学成分和 MnS夹杂物所致.在同批次复验中,相同焊接条件下其他炉号钢板z 向性能均合格.对合格钢板进行金相检验发现其在中间厚度位置处带状珠光体组织较少,且不存在偏析.而z 向不合格性能钢板在试样断口处和全厚度金相试样中间厚度处有严重的带状组织,并存在一定的偏析.带状组织是连铸板坯选分结晶造成的,板坯加热时,合金元素和硫等杂质的扩散系数低,均匀化比较困难,难以消除偏析[７Ｇ８].

在z 向拉伸试样断口上观察到圆形、椭圆形、鸭嘴型的白斑,该白斑为氢致开裂断口的典型宏观形貌.形成白色斑点的原因通常有两种:一种是以夹杂物为核心触发的“鱼眼”;另一种是由于氢的聚集所引起的氢脆[９].通过非金属夹杂物分析得知该z 向钢板中夹杂物较少,因而该白斑主要是由于氢聚集导致的.对现场焊接施工的调查得知,焊接时正处于海边潮湿炎热的夏季;焊材虽采用低氢焊丝,但由于焊接工作量小,焊丝采用工程余料,无真空包装且长时间裸露受潮;焊工未严格执行焊接工艺规程,焊前未对钢板进行预热.上述不合规的焊接操作成为氢的重要来源.为了验证氢的具体来源,在z 向性能不合格试样取样位置附近取样,采用摩擦焊加 工 z 向 拉 伸 试 验,测 得 断 面 收 缩 率 分 别 为７４．１％,７３％,６５％,平均值为７１％.采用摩擦焊方法试验结果均合格,从而验证该钢板氢脆主要由不当的焊接操作导致的.

３ 结论及建议

S３５５ML＋Z３５钢板z 向性能不合格主要是由钢板z 向试样不当的焊接操作引起的.钢板试样不当的焊接操作引起焊缝区域扩散氢的含量增加,在外力的作用下诱发层状撕裂,导致z 向拉伸断面收缩率下降.建议在条件允许的情况下,可采用螺柱焊或摩擦焊等焊接方法进行z 向拉伸试验夹持端的焊接.

采用 CO２ 气体保护电弧焊时,加强现场焊接监督,规范焊接操作,以减少焊缝中的扩散氢.具体措施主要有:制定适用的焊接工艺规程,并对焊接过程进行全过程监控,使用低氢焊材,并加强焊接材料管理,防止焊接材料受潮吸氢;焊前进行钢板预热,并达到焊接工艺规程规定的预热温度;焊后在２５０ ℃环境下保温２~３h进行消氢处理等.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 3期 > pp.213）