摘 要:在对某37Mn钢无缝气瓶进行常规超声测厚时,发现该气瓶局部位置厚度异常,采用超声检 测、化学成分分析、金相检验、能谱分析等方法对厚度异常原因进行分析。结果表明:该无缝气瓶局部位 置存在分层缺陷导致厚度异常,且这些缺陷是由 Al2O3 和少量的CaO,MgO,TiO2 等夹杂物组成的。

关键词:37Mn钢;无缝气瓶;分层缺陷;夹杂物;厚度

中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0073-04

无缝气瓶是一种可重复充装压缩气体或高压液 化气体的钢瓶,被广泛应用于工业、医疗等领域。无 缝气瓶的生产工艺一般为:钢管厂先采用“管坯-加 热-穿管-轧制-定径”等工序生产气瓶用无缝钢管;气 瓶厂采用无缝钢管作为坯料,经过热旋压收口收底 成型、正火处理等工序,最终加工成无缝气瓶[1]。在 对某气瓶进行常规超声测厚时,发现其局部位置厚 度异常,故对该气瓶壁厚异常部位进行超声检测,以 确定缺陷分布位置和深度,再采用化学成分分析、金 相检验、能谱分析等方法,确定了缺陷的类型,分析 了缺陷产生的原因。

1 理化检验

1.1 超声检测

该气瓶规格(外径×长度×壁厚)为219mm× 1200mm×5.7mm,材料为37Mn钢。参照 NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测 第3部分:超声 检测》标准规定的脉冲反射法超声检测对瓶体壁厚 异常 部 位 进 行 检 测,超 声 检 测 灵 敏 度 为 50% + 10dB,采用双晶探头,探头频率为5 MHz,探头角 度为0°,探头直径为10mm。气瓶不同位置的超声 检测结果如图1所示。图1a)中,缺陷波当量较低, 内表面底波反射当量较高,较无缺陷处底波高度变 化不大,说明该处缺陷面积较小;图1b)中,缺陷反 射波高度大于底波,底波高度降低明显,说明该处缺 陷面积较大,但仍小于超声波声束截面面积;图1c) 中,底波完全消失,仅有缺陷反射回波,该处缺陷面 积较大,且大于超声波声束截面面积。

经超声检测判断,缺陷总体呈现出分层特征,缺 陷在气瓶的位置如图2所示。由图2可知:缺陷沿 瓶体 轴 向 分 布,呈 长 条 状,长 为 180 mm,宽 为 40mm,面积约为7200mm 2。整个缺陷在气瓶厚 度方向上的位置一致,角度与外表面约为0°,但不 同位置缺陷反射当量大小不一致。该气瓶其余位置 经检测未发现有类似分层缺陷。

1.2 化学成分分析

用直读光谱仪对37Mn钢无缝气瓶材料进行化 学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:该气瓶 用37Mn 钢 的 化 学 成 分 符 合 GB/T18248—2008 《气瓶用无缝钢管》标准的要求[2]。

1.3 金相检验

采用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液对气瓶分 层缺陷附近材料侵蚀后进行金相检验。该气瓶材料 的显微组织如图3所示,由图3可知:气瓶材料组织 为珠光体+铁素体,组织无异常,未见明显带状组织[3-4]。

沿气瓶周向切取的1 # 试样局部区域的缺陷处 微观形貌如图4所示。由图4可知:缺陷处含有大 量的非金属夹杂物[5-6],非金属夹杂物距气瓶外表面 约0.6~0.7mm,长度较长,厚度较小,以条状、断续 条状平行于外表面,沿瓶体周向分布。

1 # 试样的非金属夹杂物微观形貌如图5所示。 由图5可知:大量的颗粒状夹杂物沿周向分布,颗粒 物大小为2μm~5μm,具有 B 类(氧化铝类)夹杂 物的特征[7]。

图6为沿气瓶轴向切取的2 # 试样非金属夹杂 物微观形貌。由图6可知:非金属夹杂物沿瓶体轴 向(钢管轧制方向),且平行于外表面呈条状、链状分 布,贯穿整个2 # 试样。非金属夹杂物距瓶体外表面 约0.6~0.7mm,厚度为5μm~70μm。

1.4 能谱分析

对两组试样中的非金属夹杂物进行能谱分析, 结果如图7~9所 示 。由 图7~9可 以 看 出 :夹 杂 物呈条状、颗粒状分布,条状夹杂物中包含有块状或颗 粒状夹杂物。能谱显示两组试样的夹杂物成分基本 相同,主要元素为 O 和 Al,还含有 Ca,Ti和 Mg等 元素,但含量相对较少。表明该处分层缺陷由氧化 物类夹杂物组成,主要为 Al2O3 和少量 CaO,MgO, TiO2 组成的复合夹杂物[8-9]。

2 综合分析

综上所述,该气瓶分层缺陷主要由 Al2O3 和少 量的 CaO,MgO,TiO2 的复合夹杂物组成,该夹杂 物具有一定的厚度,且造成气瓶两侧基体金属分离, 故在常规壁厚检测时其厚度异常减少,超声检测时 体现为分层特征。

在管 坯 的 冶 炼、浇 注 过 程 中,Al2O3,CaO, MgO,TiO2 等为脱氧产物以及熔渣成分,当工艺控 制不当时,上述氧化物不能及时从钢水中上浮排出, 往往以非金属夹杂物的形式残留在钢中。无缝钢管 在穿管、轧制过程中,复合夹杂物在外力的作用下发 生变形,并进一步被拉长压扁,最终沿钢管轧制方向 以面状分布在钢管基体内部。

当钢管材料存在非金属夹杂物等缺陷时,瓶体的 结构不连续会导致局部应力集中,这会降低钢材的塑 性、韧性以及抗疲劳性能,特别是在气瓶反复充装后, 缺陷处瓶体疲劳开裂敏感性大大增加,因此,在生产 无缝钢管时,气瓶用钢管制造企业应当严格按照相关 标准要求,对气瓶进行检验,保证无缝钢管的品质。

3 结语

(1)该气瓶缺陷是由残留在钢中的 Al2O3 和少量的 CaO,MgO,TiO2 等复合夹杂物组成的。

(2)无缝钢管生产企业以及气瓶生产企业应当严 格按照相关标准要求对气瓶进行检验,以确保其品质。

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<文章来源>材料与测试网>期刊论文>理化检验－物理分册>58卷>8期(pp:73-76)>