火花源直读光谱分析法在无缝钢管检测中的应用

2015-12-28韩丽华龚宜勇韩春梅

钢管 2015年2期

韩丽华，龚宜勇，韩春梅，于晟

（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津 300301）

火花源直读光谱仪以其使用样品量少，绝对灵敏度高，分析速度快，可同时测定多个元素而被广泛使用［1-3］。有文献介绍，火花源直读光谱分析是一种相对的分析方法，要求采用相同物理状态下的内控标样进行分析前的仪器校准［4-6］，而内控标样一般为铸态，这对经过了轧制和不同热处理工艺的无缝钢管检测有很大的限制［7-8］；但亦有相反的报道称，物理状态并不影响火花源直读光谱分析结果［9］。此外，该分析方法的测试面积小，虽然可采用多点激发，但其测试也只能代表一个面，不能代表整体；而由于无缝钢管在制造过程中需经过穿轧和表面脱碳，难以达到均匀状态，因此如果样品测定点选择不当，就会误导对无缝钢管成分的判定。

针对上述问题，使用火花源直读光谱法对不同热处理条件下的无缝钢管试样进行分析，考察热处理工艺对分析结果的影响，寻求该方法测定无缝钢管成分的最佳测定位置，以此指导样品分析的全过程，为火花源直读光谱法分析无缝钢管的元素含量提供参考。

1 试验设备及条件

1.1 试验设备

试验采用美国Thermo公司的ARL4460直读光谱仪（电流控制火花光源、分时积分计算技术，帕邢—龙格凹面衍射光栅，1 m罗兰圆，光谱室真空度50 μmHg、温度38℃±1℃，内标Fe元素波长273.07 nm），德国HERZOG公司的砂纸平磨机。

1.2 试验条件

试验采用40目铝质砂纸，99.995%的液态氩（氩气输入压力为0.25 MPa），实验室环境温度20～30℃，湿度≤70%。仪器自带分析曲线，冲洗时间2 s、预积分时间5 s、积分时间6.5 s。

2 试验结果及讨论

2.1 不同物理状态下样管的分析

火花源直读光谱分析能否把无缝钢管中所有状态的元素全部激发出来，样管的物理状态对火花源直读光谱分析数据会产生什么影响，众说不一。本试验选取同一炉样管，在不同的物理状态下（不同回火温度，回火时间均为60 min），对24CrMo48V（淬火900℃，30 min），27CrMo27VS（淬火950℃，25 min）和 10MnVNbMo/1（淬火 970 ℃，30 min）3个钢种的元素含量进行分析，分析结果见表1。

表1 不同热处理条件下各钢种的元素含量分析结果（质量分数）%

由表1可以看出：相同钢种在不同的回火热处理制度下的元素分析结果的极差均小于GB/T 4336—2002标准中的重复性r［10］，就此可以认定火花源原子发射光谱法完全能够把无缝钢管中所有状态的元素激发出来，且不同的物理状态并不影响该方法分析的准确性。

2.2 分析位置的选择

2.2.1 管壁方向位置分析

选择 20G、34Mn5、26CrMo4、27CrMo27VS等钢种的中低合金无缝钢管试样，根据钢管曲率不同从外壁切掉1～3 mm表皮，使其平面足够光谱激发孔的大小，再沿着从外壁至内壁壁厚方向，在壁厚的1/4、1/2、3/4处逐层分别进行光谱分析。无缝钢管试样不同位置的分析结果见表2。

经过逐层分析样管清楚地看出：在无缝钢管沿着壁厚方向，用火花源直读光谱法分析几个钢种的不同层面，其Si、P、S、Nb、V元素无偏析；C、Mn、Mo、Cr元素的含量发生了变化，且含量越高偏差就越大；在试样壁厚方向的1/2~3/4处的含量，与用其他分析方法得到的结果最接近。也就是说，沿着钢管壁厚方向的1/2~3/4处为火花源原子发射光谱法分析测定的最佳位置，否则分析结果没有代表性，即无缝钢管成分的不均匀性直接影响着分析数据。

表2 无缝钢管试样不同位置的分析结果（质量分数）%

2.2.2 钢管管端位置分析

从钢管壁厚不同位置取样点的分析数据可以看出无缝钢管中元素含量的不均匀性。如果沿着壁厚方向加工试样到钢管的1/2~3/4位置，必然会造成整个试样加工时间和成本的增加，管壁越厚，试样加工速度越慢，不适用于大生产。为此，提出采用管端分析法。

2.2.2.1 厚壁管的分析

无缝钢管有厚壁管和薄壁管之分，而光谱仪激发孔通常为Ф10～12 mm，壁厚大于激发孔的厚壁管样最简单的方法就是在钢管管端处激发。Ф12 mm激发孔测定厚壁无缝钢管管端结果见表3。

表3 Ф12 mm激发孔测定厚壁无缝钢管管端结果（质量分数）%

表3给出了壁厚大于激发孔的厚壁管样在管端横截面处激发的分析数据，与其他方法分析结果吻合得相当好，完全满足GB/T 4336—2002标准中重复性r的要求。说明在无缝钢管的管端横截面处激发是可行的。

2.2.2.2 薄壁管的分析

ARL4460直读光谱仪配有小样孔分析器。为了考察小样孔分析测定薄壁无缝钢管的精度，选用Ф5 mm激发孔对薄壁无缝钢管管端连续测定3次，观察其稳定性，分析数据见表4。从表4可以看出：C、Al和高含量的Ni、Cr、Mo元素稳定性极差，影响准确度。说明小样孔分析的取样面积小，代表性差，只限于研究，不适用于大生产中多元素同时分析；因此，薄壁无缝钢管只能采用铣床把无缝钢管样品沿壁厚方向加工到1/2~3/4处后分析，方能保证分析的准确性。

表4 Φ5 mm激发孔测定薄壁无缝钢管管端结果（质量分数） %

2.3 超薄样品的分析

GB/T 4336—2002标准要求样品厚度大于2.0 mm。当厚度小于1.5 mm时须压一个传热样［13］。本试验选择29CrMo44标样，在此标样上切下厚度为1.5 mm和2.0 mm的试样各1块，在保证同一试验条件下，分别对原样、1.5 mm和2.0 mm试样、以及压有传热钢样的1.5 mm和2.0 mm试样，在分析面上连续测定4次，并保证样品在制备时不得过热［14］，观察其稳定性和准确性，测定结果见表5。

表5数据显示：1.5 mm和2.0 mm试样的Mn、Al、Sb、W元素分析结果明显偏高，分析后样品发热；而在1.5 mm和2.0 mm试样上压另一块钢样后的测定结果，与原样的测定结果基本相同。通过数据分析认为：采用火花源直读光谱分析法分析超薄试样时，对试样厚度有一定的要求，可在待测试样上压另一块钢样，否则不能保证分析的准确性。