背景

Q345R是当前较为常见的低合金锅炉和压力容器用钢板，也是当前众多钢铁企业承压容器用钢板系列中重要的基础钢种，主要用于石油、化工、锅炉等行业，可通过焊接工艺制作锅炉、储气罐等。

尽管国标GB/T 713.2—2023《承压设备用钢板和钢带第2 部分：规定温度性能的非合金钢和合金钢》并未明确要求Q345R 钢板需要进行探伤，但在实际生产过程中，由于生产波动会造成钢板性能不稳定，且压力容器用钢板中厚板需求量较大，相较于厚度较薄的薄板和中板，厚板内部质量更难保障，一旦存在内部缺陷，在制造成为成品后易造成极大的安全风险。因此，在实际生产过程中必须对Q345R 钢板进行探伤检验。

超声波探伤是当前中厚板无损检测最常见的手段之一，通过超声波对内部进行检测，可以反映钢板内部基体的连续性和缺陷位置。陕钢集团汉钢公司在生产Q345R 钢板期间，采用超声波探伤设备对钢板探伤时发现部分钢板存在探伤不合格现象，严重影响了产品合格率。

本文通过对钢材探伤不合格原因进行分析，从而为提高Q345R 钢板质量、优化生产工艺提供参考。

 

1、试验材料与方法

1.1 工艺流程

Q345R 钢生产工艺流程：铁水预脱硫处理→转炉炼钢→LF 炉精炼→VD 炉精炼→板坯连铸→轧制→ACC 水冷→冷床冷却→剪切→检验→标识→探伤→入库。

1.2 化学成分

本次试验选取的是厚度为28mm 的Q345R钢板，针对其探伤不合格位置和探伤合格位置进行取样分析，探伤不合格区域成分如表1 所示。

（表1 Q345R的主要化学成分要求）

1.3 试验方法

利用手持探伤仪对探伤不合格钢板进行检测，明确出缺陷区域位置，将探伤不合格区域剪切后，利用线切割进行切割，采用体积分数为4%的硝酸酒精进行腐蚀，经磨制、抛光后采用金相显微镜进行观测，采用扫面电镜对缺陷位置处进行形貌观察并分析钢中夹杂物。

 

2、试验结果与分析

2.1 探伤情况

通过探伤仪对钢板进行探伤后发现，钢板缺陷主要存在于钢板边部厚度方向1/2 处，沿轧制方向呈弥散状态分布，无明显位置规律。

2.2 力学性能检测

本次试验选用了探伤不合格和探伤合格试样进行对比试验，试样1 为探伤不合格试样，试样2为探伤合格试样，Q345R钢板试样1、2的拉伸试验和冲击试验结果如表2所示。

（表2 Q345R钢板的力学性能）

本次轧制过程中，试验钢板性能全部符合国家标准，且均高于国家标准。

对比试样1和试样2，可以明显发现试样1强度、断后伸长率及0℃冲击功均低于试样2。

2.3 钢坯低倍检测

鉴于本次生产为初次生产，对钢坯统一进行低倍试样取样检测，试样1、试样2对应钢坯低倍试验结果如表3所示。

（表3 Q345R钢坯低倍试验评级 单位：级）

通过钢坯低倍检测可以发现，本次冶炼浇注的Q345R 钢坯存在中心疏松和中心偏析，表面质量正常，无非金属夹杂物。

2.4 金相检测结果

2.4.1 金相组织

取探伤不合格试样，在平行于轧制方向截取检验面，经磨制、抛光及体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀后，其显微组织如图1、图2所示。

通过观测探伤不合格位置金相图可以发现，内部组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体+少量马氏体。

同时，从夹杂物图中发现存在明显的带状组织，对带状组织评级为B系列1.5级，观测试样表面存在较明显的淬火层。

2.4.2 夹杂物情况

对探伤不合格试样内部夹杂物情况进行评级，内部夹杂物评级情况如表4所示。

（表4 Q345R内部夹杂物评级情况 单位：级）

 

通过对试样1 和试样2 内部夹杂物评级对比发现，探伤不合格试样（试样1）内部夹杂物相较正常试样级别较高，同时心部还存在大颗粒球状氧化物。

通过扫描电镜对试样1中夹杂物进行分析，试样情况如图3所示，通过能谱仪扫描后可以发现，夹杂物为MnS、Al2O3和大颗粒球状氧化物，占比较大的为MnS。

（图3 能谱扫描情况）

 

3、讨论分析

3.1 金相组织影响     

结合相图可以发现，探伤不合格试样组织基体为铁素体+珠光体，但在其夹层存在明显的贝氏体和马氏体组织。

由于钢坯中心在偏析，造成局部Mn元素富集，从而使富集处奥氏体相区扩大，提高相变温度和钢材淬透性，更易形成马氏体和贝氏体。    

贝氏体和马氏体均为硬相，镶嵌于铁素体-珠光体间，其硬度高于铁素体和珠光体，塑韧性低于铁素体，因此在受力产生形变过程中会阻碍铁素体变形，成为应力集中点，使得脆性增加，在和夹杂物共同作用下形成微裂纹。

此外，带状组织也是造成微裂纹的原因之一，通过相图可以看出试样中存在明显的铁素体和珠光体带，有研究表明，带状组织的出现会使得钢材呈各向异性，对其轧制方向即纵向方向性能影响较小，但会对垂直方向的塑韧性产生负面影响。

在受力时，性能较差、形变能力差的条带处会成为裂纹产生位置，同时强弱带之间、带状组织与正常基体组织间交界处会产生内应力及应力集中，在和夹杂物、马氏体、贝氏体硬相共同作用下能够造成微裂纹萌发和生长。 

3.2 夹杂物影响     

通过对夹杂物区域进行扫描电镜观察可以发现，夹杂物为MnS、Al2O3和大颗粒球状氧化物。MnS和Al2O3在铁素体-珠光体基体中同为硬相，且在加热炉加热过程中不能溶解。

Al2O3夹杂物产生原因主要是在采用Al 脱氧过程中，由Al 脱氧产物与钢水中的杂质混合形成，在造渣过程中残留于钢水中，因此其含量较少，同时，Al2O3主要是疲劳裂纹源形核核心，因此在Al2O3数量较少的情况下并不是造成Q345R钢板开裂的最主要因素。

MnS是夹杂物含量占比最大者，同时由于其在轧制过程中沿轧制方向延伸，形成链块状割裂晶粒，同时在周围形成较大的位错环，这些位错环在受力情况下到达夹杂物和基体界面时，界面分离后会形成微孔，在继续受力产生新的位错和微孔后，这些微孔会进一步联通聚合，进而形成微裂纹，同时微裂纹也会继续通过这些微孔进一步扩展。  

因此，MnS夹杂物的存在是造成Q345R产生分层、导致探伤不合格的主要原因。

 

4、控制措施

汉钢在生产Q345R 过程中主要采用Mn 元素为强化钢材性能的主要元素之一，为了保证热送热装工艺下钢材性能稳定，成分设计上Mn 含量相对较高，这也使得钢材整体强度较高的同时，Mn偏析情况更为严重，在后续生产过程中，通过工艺优化，降低Mn含量，以减少由于Mn含量过高而导致中心偏析加剧的发生。

同时，在检验过程中也发现存在S含量较高的情况，因此，在后续生产过程中需要进一步强化脱硫效果，降低钢水中S的含量，同时，提升钢水洁净度，减少MnS夹杂物、Al2O3夹杂物和大颗粒球状氧化物的产生。

在带状组织控制方面，可在提高钢水洁净度的同时，通过调整连铸二冷工艺来提高连铸浇筑质量，减少粗大枝状晶形成。       

此外，针对Q345R探伤不合格这一问题，可以采用对钢坯进行堆冷、控制钢坯冷却速度、有效逸散钢坯中的氢并使组织更加均匀等方法，进一步释放板坯内应力，降低微裂纹出现的概率。

 

结论

1）Q345R钢板探伤不合格的原因主要是钢板心部存在微裂纹和分层。

2）导致微裂纹和分层产生的主要原因是存在MnS夹杂物、Al2O3夹杂物和大颗粒球状氧化物。此外，基体中存在马氏体、贝氏体和带状组织也是造成微裂纹和分层产生的重要因素。

3）可以通过提高钢水洁净度、降低Mn含量，来减少C、Mn、S元素偏析，减少MnS夹杂物的产生，同时也能减少马氏体、贝氏体硬相的产生，防止受力造成内部应力集中、产生微裂纹甚至形成分层现象而造成探伤不合格。

 

来源：Internet

关键词： 超声波探伤 Q345R