張亞彬，龐于思，王連華，郭 玲，劉 靜，陳淑雷

（新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲 056300）

TP316L 是繼TP304L 之后，第二個(gè)得到廣泛應(yīng)用的奧氏體不銹鋼。該材料比TP304L 具有更好的抗氯化物腐蝕能力，同時(shí)也具有良好的耐還原性介質(zhì)和耐點(diǎn)蝕能力。TP316L 的碳含量較低，具有較好的抗敏化晶間腐蝕能力，且加入N 后不降塑性還提高了強(qiáng)度，使材料的使用厚度減?。?］。該材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工換熱器管、電站鍋爐用管［2-7］，以及應(yīng)用于制造大截面尺寸的焊接部件和設(shè)備，如石油化工、化肥、造紙、印染及原子能工業(yè)用設(shè)備的耐蝕鋼材。

TP316L 無(wú)縫鋼管的常用制造方法為棒料熱穿孔+冷軋（拔）的生產(chǎn)工藝，換熱器管常用規(guī)格為Φ19 mm×2 mm、Φ25 mm×2 mm、Φ25 mm×2.5 mm、Φ32 mm×2 mm、Φ32 mm×2.5 mm，其產(chǎn)品制造工藝技術(shù)雖然成熟，質(zhì)量和性能很穩(wěn)定，但生產(chǎn)過程中也偶然會(huì)出現(xiàn)少量成品探傷不合格的情況，其主要是穿孔荒管裂紋修磨漏檢。但2015 年新興鑄管股份有限公司生產(chǎn)Φ32 mm×2 mm 規(guī)格TP316L 無(wú)縫鋼管時(shí)出現(xiàn)了大批量成品超聲波探傷報(bào)內(nèi)傷不合格的現(xiàn)象，為查明原因，需要對(duì)出現(xiàn)缺陷的鋼管進(jìn)行全面檢測(cè)分析。

1 主要技術(shù)要求及生產(chǎn)工藝流程

出現(xiàn)探傷不合格的某爐TP316L 無(wú)縫鋼管的化學(xué)成分見表1，產(chǎn)品規(guī)格Φ32 mm×2 mm；生產(chǎn)執(zhí)行GB 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無(wú)縫鋼管》及NB/T 47019—2011《鍋爐、熱交換器用管訂貨技術(shù)條件》；探傷執(zhí)行GB/T 5777—2008《無(wú)縫鋼管超聲波探傷檢驗(yàn)方法》，超聲波探傷級(jí)別為L(zhǎng)2級(jí)，刻槽深度0.15 mm、寬度0.3 mm、長(zhǎng)度15 mm，超聲波的頻率為4 MHz。超聲波檢測(cè)設(shè)備為德國(guó)KK 公司的超聲波探傷機(jī)組，是具有16 個(gè)通道的全自動(dòng)超聲波探傷機(jī)組，探頭位置如圖1 所示。其中，檢測(cè)縱向傷的探頭8 個(gè)，L1（1～4），L2（1～4）；檢測(cè)橫向傷的探頭 4 個(gè)，T1，T2，T3，T4；檢測(cè)分層傷的探頭2 個(gè)，GEO1 和GEO3；測(cè)量厚度的探頭2 個(gè)，WT2 和WT4。

表1 TP316L 無(wú)縫鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

圖1 超聲波探頭位置示意

Φ32 mm×2 mm 規(guī)格 TP316L 無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)流程為：荒管穿孔→矯直→平頭→酸洗→修磨→冷軋→去油→固溶→酸洗→探傷→白化。Φ32 mm×2 mm 無(wú)縫鋼管的軋制工藝設(shè)計(jì)為：荒管Φ65 mm×4.5 mm→軋制成Φ51 mm×3.0 mm→軋制成Φ32 mm×2 mm，第一道變形量為47.12%，第二道的變形量為56.30%。

2 檢測(cè)及原因分析

2.1 超聲波探傷檢測(cè)

此次生產(chǎn)的TP316L 換熱器管與前期生產(chǎn)的工藝無(wú)差別，但成品在超聲波探傷檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)異常的批量報(bào)警現(xiàn)象，目測(cè)檢查時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯表面缺陷，但是重復(fù)超聲波探傷檢測(cè)時(shí)仍然出現(xiàn)報(bào)警。經(jīng)過反復(fù)分析批量檢測(cè)結(jié)果， 發(fā)現(xiàn)大部分的TP316L 換熱器管均存在2 處以上的報(bào)警點(diǎn)，說明這批換熱器管存在規(guī)律性內(nèi)部缺陷；因此需要深度分析，找出缺陷原因。

2.2 著色探傷

經(jīng)過多次超聲波探傷定位后切取4 個(gè)樣環(huán)，并對(duì)樣環(huán)進(jìn)行內(nèi)外表面著色檢驗(yàn)。4 個(gè)樣環(huán)內(nèi)外表面均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，說明缺陷并非在鋼管內(nèi)外表面上，初步分析認(rèn)為鋼管內(nèi)部存在裂紋的可能性比較大。

2.3 微觀分析

2.3.1 金相顯微鏡分析

采用定位探傷方式準(zhǔn)確找到報(bào)警的缺陷位置，對(duì)其中的兩個(gè)管環(huán)取樣分析，采用線切割方式沿鋼管橫截面從缺陷位置附近切開，打磨、拋光、清洗、吹干后直接置于金相顯微鏡下觀察。觀察整個(gè)截面后，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)管環(huán)在同一個(gè)視場(chǎng)內(nèi)存在兩條長(zhǎng)短不一的夾雜物，長(zhǎng)度分別為383.5 μm、100 μm，位于鋼管壁厚中部，如圖2 所示；另一個(gè)管環(huán)橫截面上同樣發(fā)現(xiàn)存在類似形狀的非金屬夾雜物，夾雜長(zhǎng)度為350.29 μm，距離外表面648.13 μm，如圖3 所示。

圖2 非金屬夾雜物形貌

圖3 非金屬夾雜物的大小和位置

2.3.2 掃描電子顯微鏡及EDS 能譜分析

采用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)其中一個(gè)試樣中的夾雜物形貌及成分作進(jìn)一步分析，非金屬夾雜物形貌如圖4 所示，該條非金屬夾雜物的長(zhǎng)度為392.3 μm，局部放大的夾雜物形貌如圖5 所示，夾雜物最寬處為2.3 μm。

圖4 非金屬夾雜物形貌

圖5 局部放大的非金屬夾雜物形貌

用EDS 能譜儀分析夾雜物成分，分析位置如圖6 所示，分析結(jié)果見表2。從表2 可以看出，夾雜物的主要成分為O、Al、Ca、Si 及少量的Mg、Na、F 元素，可判定該夾雜物并非鋼中常規(guī)的夾雜物，而是外來夾雜物，主要是保護(hù)渣的組分。保護(hù)渣以SiO2+CaO 為主，存在少量Na2O+MgO+Al2O3+CaF。脫氧過程中形成大量的硅酸鹽類和氧化鋁類的復(fù)合夾雜物，其中前者是硅鈣脫氧產(chǎn)物，后者是脫氧產(chǎn)物和精煉渣復(fù)合作用的產(chǎn)物［8］。由于硅酸鹽類夾雜物具有較高的延展性，在冷軋變形過程中得到充分的延展，有較寬范圍的形態(tài)比（一般≥3），其顏色呈黑色或深灰色，形態(tài)細(xì)長(zhǎng)，一般頭部呈銳角。但氧化鋁類夾雜物大多數(shù)沒有變形，帶角，形態(tài)比?。ㄒ话?∧3），呈不規(guī)則的橢圓狀，在金相顯微鏡下為黑色或藍(lán)色顆粒，沿鋼材軋制方向排成一排，一排由3 個(gè)以上顆粒組成［9］。通過能譜分析可知，該夾雜物主要為硅酸鹽類和氧化鋁類的復(fù)合夾雜物。

圖6 能譜分析位置

表2 不同位置的能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.4 非金屬夾雜物冷軋變形行為分析

金屬材料在冷軋過程中受三向壓應(yīng)力作用，變形程度大，非金屬夾雜缺陷會(huì)發(fā)生較大的變形，沿軸向（垂直于冷軋方向）非金屬夾雜物投影面積減?。?0］，一般呈點(diǎn)狀，如圖7 所示。夾雜物在冷軋變形過程中隨基體材料變形［11-12］，沿著軋制方向明顯被拉長(zhǎng)，由于冷軋管軸向變形比較大，一般軸向面上的夾雜物呈細(xì)條狀分布，如圖8 所示。從檢測(cè)結(jié)果來看，探傷不合格的鋼管，其管內(nèi)橫截面夾雜物的尺寸均較長(zhǎng)，這是常規(guī)夾雜物很難出現(xiàn)的情況。綜合鋼管的變形，軸向變形遠(yuǎn)大于周向變形，因此可推斷該夾雜物沿鋼管縱向長(zhǎng)度要更長(zhǎng)，夾雜物在鋼管內(nèi)部形成面積較大的片狀?yuàn)A雜。因目前夾雜物的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定在鋼管縱向截面上評(píng)級(jí)，而檢測(cè)的夾雜物的位置為橫截面，并不適合評(píng)級(jí)要求。

在冷軋管變形過程中，徑向不同部位夾雜物的塑性變形程度不同，越靠近邊緣的夾雜物的徑向變形程度就越大，越靠近中心的夾雜物的徑向變形就越?。?3-14］，通過不同程度地冷軋變形，使小顆粒不規(guī)則的夾雜物變得圓滑（圖7d）。而大型外來夾雜物，在軋制過程中會(huì)隨著鋼管的延展而形成長(zhǎng)片狀，冷軋變形越大，片層越薄，所占面積越大。夾雜物經(jīng)過軋制輾壓，在成品管中逐漸形成越來越薄的片層薄膜［15］。與原始夾雜物尺寸相比，冷軋后的夾雜物尺寸遠(yuǎn)超過管坯夾雜物尺寸，荒管中的非金屬夾雜物如圖9 所示，其長(zhǎng)度較短，寬度尺寸較大。因此，鋼管基體中大片狀的夾雜物是導(dǎo)致超聲波探傷不合格的原因。

圖7 鋼管橫截面上的點(diǎn)狀?yuàn)A雜物SEM 分析結(jié)果

圖8 非金屬夾雜物軸向長(zhǎng)條狀分布

圖9 荒管中的非金屬夾雜物

3 結(jié) 論

（1） TP316L 成品管內(nèi)層長(zhǎng)片層狀的非金屬夾雜物是導(dǎo)致超聲波探傷報(bào)警的主要原因。

（2） 異常非金屬夾雜物是鋼液在冶煉和澆注過程中的脫氧產(chǎn)物，以及卷入鋼液中的熔渣、被浸蝕的耐火材料和保護(hù)渣，其主要組成為硅酸鹽類夾雜物CaO-SiO3-Al2O3和氧化鋁類夾雜物Al2O3。

（3） 由于硅酸鹽類夾雜物具有較高的延展性，在冷軋變形過程中會(huì)得到充分延展，形成面積較大的片狀?yuàn)A雜物。