TP321不銹鋼管材分層缺陷產生的原因及其超聲波檢測

吳昊，安禎鈺

青島維康中油檢測所，山東青島266300

TP321不銹鋼管材分層缺陷產生的原因及其超聲波檢測

吳昊，安禎鈺

青島維康中油檢測所，山東青島266300

在不銹鋼液態(tài)成型過程中加入穩(wěn)定化元素Ti，可提高不銹鋼材的焊接性和抗晶間腐蝕的能力。但若Ti元素的添加順序或添加量不正確，那么管頭位置的不銹鋼常會形成TiN或者TiC的富集區(qū)，從而導致管材產生分層缺陷。采用脈沖反射式超聲波檢測方法，配合合適的檢測工藝，可以有效地檢出該類缺陷，從而保證被檢產品的質量。在簡要介紹了工程中TP321不銹鋼管道出現(xiàn)分層缺陷問題的基礎上，論述了采用化學分析方法、硬度測試方法、顯微金相組織分析方法等研究TP321不銹鋼管材產生分層缺陷的原因。研究結果指出，在管材分層處，Ti元素以TiN或者TiC夾雜物的形式富集，導致管材沿圓周方向形成了條帶狀缺陷，嚴重的部分形成了分層。依據(jù)這一結果，工程中制訂了采用對該類型缺陷檢測靈敏度較高的脈沖反射式超聲波檢測方法，并配合合適的檢測流程進行檢測，從而準確地定位、切除了缺陷，解決了工程問題。

不銹鋼管；分層缺陷；原因分析；超聲波檢測

1 TP321不銹鋼管道的分層缺陷問題

圖1　坡口處發(fā)現(xiàn)“疑似裂紋”

國內在對某30萬t/a柴油加氫裝置進行檢修時，需更換TP321材質的不銹鋼管道，規(guī)格為φ219 mm ×15.09 mm，長度137 m。不銹鋼管生產廠家提供的8根管材運抵施工現(xiàn)場后，施工單位在采用正常工藝進行切割預制并加工坡口時，發(fā)現(xiàn)坡口位置出現(xiàn)周向“疑似裂紋”的缺陷，長度約為150 mm，見圖1。我單位對此部位進行了滲透檢測，并沿軸向方向進行了修磨，發(fā)現(xiàn)該“疑似裂紋”沿管軸向方向延伸，見圖2。施工單位決定將此管段切除，不予使用，但管段切割后，該“疑似裂紋”由于受力原因，開口變寬，見圖3。我單位對該管段進行了100％測厚檢測，發(fā)現(xiàn)該“疑似裂紋”在軸向的分布情況為白色記號筆標定的區(qū)域，見圖4。經進一步對該缺陷的形成原因進行分析，斷定該“疑似裂紋”應為TP321管材成型加工過程中產生的分層缺陷，并制訂了無損檢測方案。

圖2　對“疑似裂紋”處進行滲透檢測

圖3　管段切割后“疑似裂紋”開口變寬

圖4　“疑似裂紋”在軸向的分布情況

2 TP321不銹鋼管材分層缺陷產生的原因分析

2.1化學分析

在TP321不銹鋼管有分層缺陷的區(qū)域進行取樣，個別區(qū)域取樣后可直接分開成兩部分，見圖5。采用XRF光譜對試樣進行分析，未分層處和分層處的Ti元素有明顯的區(qū)別，測試結果見表1。

表1　XRF光譜分析結果（質量分數(shù)）

從表1可以看出，分層處的Ti元素明顯偏高，屬于Ti元素富集區(qū)，而未分層處的Ti元素含量較低。

圖5　分層位置取樣

2.2硬度測試

使用EV-4000TKR型維氏硬度計加載9.8 N的力對未分層處和分層處分別進行維氏硬度測試，測試結果見表2。

表2　維氏硬度分析結果

從表2可以看出，分層處維氏硬度比未分層處高很多，符合夾渣物特征，初步判斷夾渣物為TiN或者TiC［1］。

2.3顯微組織

樣品經磨拋并用王水腐蝕處理后，利用電子顯微鏡Axio Observer.A1m進行金相分析，未腐蝕分層處顯微形貌見圖6，經腐蝕后分層處顯微形貌見圖7，經腐蝕未分層處顯微形貌見圖8，經腐蝕分層處放大500倍的顯微形貌見圖9。

圖6　未腐蝕分層處形貌（放大100倍）

從金相試驗結果可以看出，未經腐蝕的分層處存在著許多聚集的夾雜物，經腐蝕放大之后能看到夾雜物呈帶狀分布，且在分層處分布密集，未分層處趨于零星分布。

2.4分析與討論

從以上化學成分分析、維氏硬度試驗及金相組織分析結果可以看出，在分層處Ti元素以TiN或者TiC夾雜物的形式富集，大量夾雜物沿管道圓周方向形成了條帶狀缺陷，嚴重部分形成了分層。

圖7　經腐蝕分層處形貌（放大200倍）

圖8　經腐蝕未分層處形貌（放大200倍）

圖9　經腐蝕分層處形貌（放大500倍）

3 TP321不銹鋼管材分層缺陷無損檢測

3.1檢測工藝的確定

由于分層缺陷的分層面沿TP321不銹鋼管圓周方向分布，且在鋼管軸向有較大的面積形延伸，故采用對該類型缺陷檢測靈敏度較高的脈沖反射式超聲波檢測方法［2］，在不銹鋼管的外壁對其進行檢測。

又由于TP321不銹鋼材質晶粒粗大，會降低超聲波檢測的靈敏度，且分層面距管內壁均為3 mm左右，故使用雙晶縱波聚焦斜探頭進行缺陷定位。缺陷定位后，應使用測厚儀進行復驗確認。測定時，應使探頭焦點盡量靠近分層面附近，并使用專用試塊進行聲速測定。

另外，個別管材壁厚不均勻也會造成對壁厚較薄回波和分層缺陷回波的誤判，因此需使用測厚儀在管材內外表面進行確認，如無法在內表面實施，需利用超聲波波形特征對缺陷進行分析判斷，分析過程中應注意閘門的設置。

3.2檢測比例的確定

由于到貨的8根TP321不銹鋼管在下料預制后隨機安裝在裝置的不同位置，因此為找出全部分層缺陷，需對137 m長的φ219 mm×15.09 mm的管材進行100％檢測。

4 檢測結果及處理

經對137 m長的規(guī)格為φ219 mm×15.09 mm 的TP321不銹鋼管材進行100％超聲波檢測后，共發(fā)現(xiàn)了9處分層缺陷，分層缺陷總長3.28 m，對這些缺陷均做了切除處理。為嚴格保證被檢產品的質量，又對同材質、同批次的φ219 mm×10 mm、φ168 mm×9.5 mm的管材進行抽檢，結果未發(fā)現(xiàn)分層缺陷。

5 結束語

為提高不銹鋼材的焊接性和抗晶間腐蝕的能力，避免在奧氏體晶界形成貧鉻區(qū)，常在不銹鋼液態(tài)成型過程中加入穩(wěn)定化元素Ti。但若Ti元素的添加順序或添加量不正確，常會導致在管頭位置形成TiN或者TiC的富集區(qū)，該區(qū)域力學性能較差，在管材成型過程中易形成分層缺陷。采用脈沖反射式超聲波檢測方法，配合合適的檢測工藝，可以有效地檢出該類缺陷，從而保證被檢產品的質量。

［1］王楠.不銹鋼厚壁管分層缺陷判定及處理過程［J］.山東：山東化工，2013，42（8）：115-117.

［2］王小雷.承壓類特種設備無損檢測相關知識［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2013：31.

Forming Reason and Ultrasonic Detection of L amination Defects in TP321 Stainless SteelPipes

WU Hao，AN Zhenyu
Qingdao Weikang NDE Zhongyou Test Institute，Qingdao 266300，China

TP321 stainless steel pipes are extensively used for refinery devices，because they possess strongly corrosion resistance，high tensile strength，fatigue resistance，stable chemical composition and low price.Adding alloying element Ti in stainless steel with improper sequence and quantity can sometimes lead to lamination defects.In this paper，the reason of the lamination defects in TP321 stainless steel pipes is analyzed by the methods including chemical analysis，hardness test and micro metallographic structure analysis.The research results indicate there are rich inclusions of TiN or TiC in the lamination causing belt defects along the pipe circumference.Based on the research results，the ultrasonic pulse-echo testing method possessing higher testing accuracy for lamination defects is used together with proper testing process，then the defects are accurately located and cut off.

stainless steelpipe；lamination defects；reason analysis；ultrasonic testing

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.04.022

吳昊（1981-），男，內蒙古通遼人，工程師，2005年畢業(yè)于中國石油大學（北京）金屬材料專業(yè)，現(xiàn)從事無損檢測技術質量管理工作。Email：wuhao08054@163.com

2015-10-19；

2016-02-18