Рентгеноспектральный микрозондовый анализ минералогического состава неметаллических включений сварных соединений магистральных трубопроводов

УДК 621.791

Е.М. Федосеева, М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова

Пермский государственный технический университет

РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ МИКРОЗОНДОВЫЙ АНАЛИЗ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

Изучен минералогический состав неметаллических включений в сварных швах низколегированных трубных сталей, предназначенных для изготовления магистральных нефтепроводов и газопроводов. Для исследования использован метод рентгеноспектрального микрозондового анализа. Установлено, что минералогический состав неметаллических включений зависит от химического состава стали, в частности от элементов, вводимых в сталь в качестве раскислите-лей. Химический состав включений наряду с другими их свойствами имеет решающее значение при изучении влияния неметаллических включений на качество сварного соединения и стали в целом.

Неметаллические включения в сварном соединении являются неизбежным дефектом и оказывают крайне негативное влияние на его эксплуатационные качества. Как правило, в материал шва включения приносятся из основного металла, а поскольку полностью избежать их присутствия нельзя, современные стандарты регламентируют их количество и размер. Сварные соединения, в которых неметаллических включений больше допустимого количества или размер которых превышает максимальный предусмотренный стандартом, являются дефектными. Допустимая концентрация кислорода в неметаллических включениях находится в пределах 0,001-0,005, максимально допустимый диаметр 200-500 мкм.

До последнего времени исследования в области обеспечения снижения числа неметаллических включений были направлены на усовершенствование технологии получения сварного соединения, однако природа самих включений оставалась окончательно невыясненной. Известно, что они состоят из оксидов, реже - из сульфидов, нитридов и силикатов, однако состав самих включений никогда не регламентировался, и поэтому в настоящее время данных о том, как химический и минералогический состав самих неметаллических включений влияет на технологические, механические и эксплуатационные свойства основного металла и шва, нет [1].

Согласно последним данным, неметаллические включения являются очагами хрупкого разрушения, вызывают анизотропию таких свойств, как пластичность, кроме того, играют большую роль в развитие усталостной прочности, поскольку являются концентраторами напряжения в структуре

металла. Исследователями установлено, что некоторые включения способны провоцировать коррозию металла, такие включения получили название коррозионно-активные неметаллические включения (КАНВ) [2]. Последний факт подтверждает, что для обеспечения высокого качества сварных соединений необходимо иметь информацию не только о количестве и размере неметаллических включений, но и об их составе и структуре, поэтому изучение неметаллических включений является актуальной практической задачей.

Целью работы является исследование неметаллических включений в стальных сварных соединениях, которое включает в себя установление химического и минералогического состава включений, а также выявление характера неравномерности состава включений, расположенных в разных участках шва.

В качестве объекта исследования использовались образцы сварных соединений, аналогичные тем, которые используются при создании магистральных трубопроводов. Они были получены на низкоуглеродистой трубной стали Х70 производства Японии (российский аналог - сталь 10Г2С, класс прочности К60), размер трубы 1420*15,7 мм. Сварка кольцевого шва трубы была выполнена по технологии РД + МПС (корень - ручная дуговая сварка, заполнение и облицовка - полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой) в производственных условиях. Использовались следующие сварочные материалы: для сварки корня шва - электроды LB-52U (ЛБ-52У) (3,2 мм; Kobe Steel, Ltd (Япония)), для заполняющих и облицовочного слоев -самозащитная порошковая проволока Innershield NR-208Spesial (2,0 мм; The Lincoln Electric Company (США)).

Изучение неметаллических включений производилось методом рентгеноспектрального микрозондового анализа, использовался электронный сканирующий микроскоп JSM63090LV (рис. 1) с двумя спектрометрами: энергодисперсионным (ЭДС) и волновым (ВДС).

Рис. 1. Электронный сканирующий микроскоп с двумя спектрометрами для микрозондового анализа

Для проведения исследований из образцов сварных соединений с помощью электроэрозионной резки были вырезаны брусочки размером 7*7*10 мм. Электроэрозионная резка была выполнена на проволочном электроэрозионном станке БСОКЛЭ Ь+10, диаметр использованной проволоки 0,25 мм, скорость резки составила 8 м/с [3]. При проведении анализа с помощью электронного сканирующего микроскопа неровности на поверхности образца могут привести к нетипичному рассеиванию рентгеновских лучей, что может, свою очередь, спровоцировать ошибки в определении концентрации элементов. Поэтому после резки поверхность образцов была тщательно отполирована и очищена.

Сам процесс анализа заключается в том, что образец сканируется с помощью пучка электронов диаметром до 1 мкм (микрозонда). Регистрируется характеристическое спектральное излучение, возникающее под действием сканирующего пучка электронов на поверхности образца и специфичное для каждого элемента. Его интенсивность зависит от содержания данного элемента на поверхности образца. Специальные датчики избирательно регистрируют излучение каждого вида атома (обычно начиная с Ка) и его интенсивность. Таким образом, метод микрозонда дает уникальные возможности для качественного и количественного анализа неметаллических включений на отдельных участках сварного соединения.

Проведенный рентгеноспектральный анализ позволил определить химический состав неметаллических включений, а также идентифицировать их с точки зрения минералогической принадлежности.

Анализ включений производился на двух участках шва, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Схема расположения участков в сварном соединении, выбранные для исследования: 1 - корневой шов; 2 - заполняющий слой

Установлено (табл. 1, 2), что неметаллические включения в корне сварного шва и в заполняющих слоях состоят из следующих оксидов: MgO, 8Ю2, Л12О3, МпО, 7пО, ТЮ2, Сг2О3, БеО, N10. В различных включениях комбинация этих компонентов, их соотношение, а также комплексные соединения, образуемые ими, различны. Химический и минералогический состав неметаллических включений зависят от химического состава металла шва и сварочных материалов. Результаты, полученные в ходе растрового микрозондового анализа,

(табл. 1, 2) также содержат данные об элементах, которые имеются в металлической части шва, но не входят в состав включений в виде и их оксидов, это свидетельствует о том, что не все элементы, присутствующие в металле, вступают в окислительные реакции и формируют включения, в частности такими элементами являются ванадий, титан и кобальт. При повышенных содержаниях кремния и марганца в металле шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается содержание в них окислов железа. Общее количество других оксидных включений в шве при этом также уменьшается (табл. 1, 2, рис. 3, 4).

Таблица 1

Состав неметаллического включений на участке № 2 (середина шва), заполняющий слой - самозащитная порошковая проволока

Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число ионов

Мй К 4,33 18,19 30,15 МйО 12,80

А1 К 0,07 0,32 0,60 А12О3 0,20

БІ К 6,07 25,07 53,64 БІО2 15,28

Б К 0,29 11,71 29,24 БО3 7,21

Сг К 0,02 0,07 0,11 Сг2О3 0,02

Мп К 0,02 0,09 0,11 МпО 0,03

Бе К 3,08 11,62 14,95 БеО 3,56

Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00

№ К 0,09 0,34 0,43 №ІО 0,10

О 44,30 47,39

Итоги 100,00

Сумма анионов 47,39

Рис. 3. Спектр распределения химических элементов в неметаллическом включении

Участие алюминия в металле шва ведет к появлению в составе неметаллических включений (табл. 1) герцинита БеО-А1203.

Таблица2

Состав неметаллического включения в зоне повышенного содержания алюминия (середина шва), заполняющий слой -самозащитная порошковая проволока

Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число ионов

Мй К 2,60 18.39 30,49 МйО 12,74

Бі К 4,10 30,29 64,80 БІО2 18,16

ТІ К 0,00 0,00 0,00 ТІО2 0,00

V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00

Сг К 0,01 0,09 0,14 Сг2О3 0,03

Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00

Бе К 0,46 3,28 4,22 БеО 0,99

Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00

№І К 0,04 0,27 0,35 №ІО 0,08

О 47,67 50,18

Итоги 100,00

Сумма анионов 50,18

Іонная шкапа 6902 имп кэб|

Рис. 4. Спектр распределения химических элементов в неметаллическом включении

При наличии хрома в шве образуются включения хромита БеО-Сг2О3 (табл. 1-4; рис. 3 и 4). Такие элементы, как ванадий, титан и кобальт, не образуют соединений, входящих в неметаллические включения.

Таблица 3

Состав неметаллического включения на участке № 1 (корень шва), сварка покрытым электродом

Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число

Мй К 0,01 0,10 0,16 МйО 0,09

А1 К 0,10 0,57 1,08 А12О3 0,48

Са К 0,47 1,26 1,77 СаО 0,72

Т К 0,00 0,00 0,00 Т1О2 0,00

V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00

Сг К 0,03 0,08 0,12 Сг2О3 0,03

Мп К 0,26 0,84 1,09 МпО 0,35

Бе К 23,35 74,35 95,65 БеО 30,28

Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00

N1 К 0,03 0,11 0,14 №О 0,04

О 22,69 32,26

Итоги 100,00

Сумма анионов 32,26

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Полная шкала 6813 имп.______________________________________________________________________________________________________кэВ|

Рис. 5. Спектр распределения химических элементов неметаллическом включении в корне шва

Установлено (табл. 3, 4), что выявленные в швах ручной дуговой сварки покрытым электродом (участок № 1) оксидные включения по минералогическому составу можно разделить на следующие:

- смешанные железо-марганцевые оксиды, представляющие собой непрозрачные включения преимущественно шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окисленность металла шва при низком содержании кремния и отсутствии других активных раскислителей;

- железо-марганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений с вкраплениями темных частиц;

- стекловидный кремнезем (прозрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встречается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.

Отдельные сульфиды здесь не выявлены, однако присутствуют сложные включения типа оксисульфидов (табл. 4). В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием ок-сисульфидов (табл. 4, рис. 6 и 7). Аналогично образуются и другие сложные сульфидные включения.

Таблица 4

Состав неметаллического включения оксисульфидного типа в корне шва

Элемент Условная концентрация Весовой, % Содержание, % Формула Число

N К 0,07 5,38 7,25 Ш2О 4,62

Мй к 0,03 1,90 3,15 МйО 1,54

А1 К 0,05 2,81 5,30 А12О3 2,05

Б1 К 0,04 2,12 4,54 Б1О2 1,49

Б К 0,29 11,71 29,24 БО3 7,21

С1 К 0,06 2,48 0,00 1,38

Са К 0,49 18.75 26,23 СаО 9,23

Т1 К 0,01 0,43 0,72 Т1О2 0,18

V К 0,00 0,00 0,00 V2O5 0,00

Сг К 0,00 0,00 0,00 Сг2О3 0,00

Мп К 0,00 0,00 0,00 МпО 0,00

Бе К 0,30 13,42 17,26 БеО 4.74

Со К 0,00 0,00 0,00 СоО 0,00

N1 К 0,00 0,00 0,00 №О 0,00

гп к 0,07 3,07 3,82 гпО 0,93

О 37,93 46,81

Итоги 100,00

Сумма анионов 48,19

Рис. 6. Спектр распределения химических элементов неметаллического включения в корне шва

Рис. 7. Неметаллическое включение оксисульфидного типа в металле корневого шва

Таким образом, рентгеноспектральный микрозондовый анализ неметаллических включений металла сварного шва в его корневой части заполняющих слоях, соответственно выполненных ручной дуговой сваркой покрытым электродом и садозащитной порошковой проволокой, установил, что:

- неметаллические включения в заполненных слоях и корневом шве сварного соединения стали Х70 (аналог 10Г2С) отличаются между собой по химическому и минералогическому составу;

- состав неметаллических включений металла заполненных слоев включает в себя: МйО, БЮ2; А12О3, МпО, гпО, ТЮ2; Сг2О3, БеО, NiO;

- состав неметаллических включений металла корневого шва включает в себя: MgO, SiO2, AI2O3, MnO, ZnO, TiO2, Cr2O3, FeO, NiO, SO3, CaO, ZnO, Na2O;

- такие компоненты сварочных материалов и самой стали, как ванадий, титан и кобальт, в ходе сварочного процесса не образуют соединений, входящих в состав неметаллических включений.

Список литературы

1. Гончаров И.Б. Дефектоскопия оборудования в угольной промышленности: справочное пособие. - М.: Недра, 1990. - 150 с.

2. Вашуль X. Практическая металлография. Методы изготовления образцов / пер. с нем. - М.: Металлургия, 1988. - 320 с.

3. Галдин Н.М., Чернега Д.Ф., Иванчук Д.Ф. Цветное литье: справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 519 с.

4. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

5. Смирнов Н.А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1985. - 256 с.

6. Повышение коррозионной стойкости сталей для труб тепловых сетей путем обеспечения чистоты по коррозионно-активным неметаллическим включениям // Тепловые сети. Современные решения: сб. материалов конференции 17-19 мая 2005 г. - URL: http://www.ag-t.ru/ctext/b3.htm.

7. Семенова Е.С. Проблемы оценки качества металла, методы и объем контроля трубопроводной арматуры опасных производственных объектов. Техническое регулирование // Actual Conferens. 2(65) 2010. - С. 22-25.

8. Ромашкин А.Н. Влияние неметаллических включений на свойства стали. - URL: http://www. steelcast.ru/nonmetallic inclusions.

Получено 25.10.2010