耐低温无缝不锈钢管表面缺陷的研究

  近年来，LNG(液化天然气)作为一种优质高效的清洁能源得到了越来越多的重视。目前已被广泛应用于发电、化工原料、新型汽车燃料、民用燃料的领域。我国是能源消耗大国。随着经济的发展，对LN己的需求量日益增加。有文献预测到2020年我国天然气的年消耗量将达到2x10 11 m3，其中约有40%需要进口。因此天然气的存储和运输成了解决国家能源需求，保障能源安全的关键问题。在天然气的存储及运输过程中，LNG储罐必不可少。天然气常压液化温度为-162℃，因此LNG储罐内胆需要优异的超低温性能。

    目前，Ni系低温钢是国际上通用的低温用钢，由于其优良的低温韧性，广泛的用于-40～-196℃的低温设备及容器中。其中Ni含量为9wt%的低温钢使用温度最低，可低于-196℃。9Ni钢为铁素体型用钢，低温(-196℃)冲击可功达到200-300J，是深冷环境下使用的韧性最好的材料，且其具有良好冷加工性、焊接性、抗裂纹扩展性，因而成为制备LNG储罐的理想材料。

    目前9Ni板材生产技术较为成熟，国内已有太钢、南钢等企业可以生产。但是国内9Ni无缝不锈钢管的生产技术尚不成熟，有待进一步开发，且9Ni的相关研究资料主要集中于成分调整、板材轧制工艺、热处理工艺、组织演变以及焊接工艺等方面。但是对于产品表面质量及其控制并未提及。本文采用针对采用Assel斜轧生产线制备的9Ni无缝不锈钢管表面存在的缺陷进行了深入的讨论分析，并指出问题所在，以填补这一方面空白。

2实验材料及方法

2.1原料制备

    本实验采用原料为9Ni钢铸坯经电渣重熔、锻造后所成200圆坯。坯料的成分表1所示。经过超声探伤及着色探伤结果显示坯料内外无缺陷。

    圆坯于Assel斜轧生产线轧制成 152x16 mm无缝钢管，环形炉温度为1 150℃，变形各步骤参数表2所示。

2.2缺陷分析相关实验

    采用手动超声探伤以定位缺陷，取样。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)观察样品抛光后，及4%酸酒精溶液腐蚀后的样品。

    自剩余坯料上去工作段为10 mm的热模拟拉仲样品，在Gleehle3500热模拟试验机上进行800-1 250℃热模拟拉仲实验。拉伸速率为0.01/S。

    自剩余坯料上取10 mmx10 mmx10mm、的金相样品，在1 100℃条件下，分别氧化1h,2h,4h,8h。对高温氧化样品进行金相观察。

3实验结果及分析

3.1成品管缺陷分析

   视检结果显示成品管内外表面质量较好，光滑伤。但是超声探伤结果显示不锈钢成品管内表面无伤，表面存在通体缺陷。图1为OM观察到的成品管外表面缺陷。

    可以发现不锈钢管外表面缺陷为轧制过程中啮合了的细小外折及裂纹，见图1(a)。可以推测，裂纹及外折的形成阶段在定径之前，且在定径过成中发生啮合。经测量，最大外折深度为0.8 mm。不难发现，所有裂纹及外折周边都并不光滑，而是有一层经过氧化的晶界，且裂纹的延伸方向是沿着晶界的，见图1(b).(c)。不仅如此，在管体未显示缺陷的正常表面上除了有氧化层的覆盖外，氧化层与管体金属之间的界面也并不光滑，而是有一层晶界氧化层，见图1(d)。晶界氧化层的存在会大幅度降低管体的变形性。

    对氧化层及氧化物进行扫描电镜及能谱观察，结果如图2所示。低倍下由无缝不锈钢管外表面向内延伸的线扫描结果见图2(a)，显示表面氧化层仅为Fe的氧化物，Ni,Si,Mn并不参与氧化反应，此外，在氧化过程中Ni原子明显由氧化层相金属表面扩散，而Si, Mn元素的扩散不明显。无缝不锈钢管表面内的晶界氧化形貌及能谱结果见图2(b)，晶界氧化会导致细小裂纹在晶界之间出现。且晶界氧化物与外氧化层相仿，为Fe的氧化物，Ni原子在氧化过程中向晶内扩散。

    综合以上结果认为，9Ni无缝不锈钢管表面缺陷的形成有两种可能性:一种是材料本身在变形过程中塑性不够，导致裂纹与外折形成;另一种是材料表面氧化引起表面缺陷，表面缺陷在变形过程中放大成为裂纹与外折。

3.2热模拟拉伸实验结果及分析

    为了研究材料高温塑性，进行了一系列热模拟拉伸实验。

    可以发现900-1 200℃为9Ni钢的高塑性区，其拉伸变形量可达90%以上。对比轧管各个阶段的变形量与变形温度，不难发现穿孔与斜轧两个步骤都在高塑性区，且变形量远小于材料的变形能力。定径步骤最后阶段温度虽然低于900℃，但是前面的分析已经表明，管体外表而的缺陷形成在定径之前。因此可以认为，本次轧制中出现的小外折与裂纹不是由于材料本身塑性不佳引起的。

3.3高温氧化实验结果及分析

    在1 100℃经不同时间氧化样品的形貌如图4所示。

    可见，虽然为氧化样品表面光滑，见图4(a),但是1h后氧化层与金属界面之间就出现了细小的晶界氧化，见图4(b)。随着氧化时间延长，晶界氧化深度进一步加深，见图4(c).(d)。此时晶界氧化速度大于氧化层相金属内推进速度。当晶界氧化深度达到一定程度以后，随着氧化时间延长，氧化层厚度进一步增加，但是晶界氧化深度不再进一步加大，见图4(e)。可见此时晶界氧化及氧化层相金属内部推进的速度达到了平衡。

    这一结果显示，在高温保温条件下，9Ni无缝不锈钢管外表面由晶界氧化导致的脆性表面及微裂纹一直存在。这样的表面在无缝不锈钢管加工的变形过程中势必会引起表面缺陷。