HFW焊管熱影響區裂紋原因分析

曾海華 翁文 陳岳 陸莉莉

摘要：采用金相顯微鏡和掃描電鏡檢驗，試驗鋼焊管裂紋斷口和夾雜物形貌，并對夾雜物進行微區成分分析，確定了鋼中存在大量密集分布的硫氧化物層帶狀夾雜是形成裂紋的主要原因，層帶狀夾雜物在高溫和焊接擠壓力的作用下內部分離而產生裂紋。

關鍵詞：管線鋼；高頻焊管；裂紋

引言

HFW直縫套管以其尺寸精度高、壁厚均勻、生產率高、抗壓潰性能和綜合力學性能好以及射孔不裂等優點而具有很大的發展潛力和市場競爭力，近幾年隨著技術的發展及“西氣東輸”工程的完善，HFW鋼管的需求量也增大了許多，主要運用在城市管網的工程中，因此對HFW鋼管的質量的保證性提出了進一步的要求；由于HFW鋼管是無填充金屬電阻焊，因此影響焊縫質量主要因素取決于母材的質量。如何提高鋼材的純凈度以及獲得不變形的變質硫化物,成為各鋼鐵生產企業的技術核心問題。X52 管線鋼是我國目前輸油輸氣用焊接鋼管的常用鋼種,一般采取鈣處理降低鋼中硫、磷等雜質的含量，減少鋼中的夾雜物總量;或是在鋼中加入稀土達到球化硫化物的目的,防止長條狀的MnS 夾雜產生，兩種生產工藝均取得了良好的效果。

本公司在生產φ273.1 mm ×6.4 mm的X52 高頻焊管時,試驗鋼卷,結果在部分焊管內壁的焊接熱影響區產生了縱向分布的微裂紋,極少量焊管外壁的焊接熱影響區也產生了縱向裂紋。為了分析焊管裂紋產生的原因,對試驗鋼卷以及焊管裂紋和夾雜物形貌進行了全面的檢驗分析。

1 檢驗結果分析

1.1 化學成分及力學性能檢驗

檢驗了3 個爐號的X52 試驗鋼卷化學成分和力學性能,其檢驗結果見表1 、2 。

由表1 可見,X52 試驗鋼卷中硫、磷雜質含量較低,冶煉化學成分較穩定,成品鋼中的RE/ S 值約為6 ,鋼中總氧僅(18～32) ×10 - 6 。由表2可見,試驗鋼的力學性能符合X52 技術指標,0 ℃橫向沖擊功較高。試驗鋼在連鑄結晶器中采用喂絲的方法,噸鋼加入稀土300 g ,以達到球化處理硫化物的目的。

表1X52 試驗鋼卷化學成分

Table 1 Chemical composition of X52 experimental coils%

表2 力學性能檢驗結果

Table 2 Mechanical properties of experimental coils

注: ①拉伸試樣為標距5018 mm ,標距內寬3811 mm 的板拉樣,試驗溫度為25 ℃。

②橫向沖擊試樣尺寸為5 mm ×10 mm ×55 mm ,試驗溫度0度

1.2試驗鋼卷探傷檢驗

對8 卷X52 試驗鋼卷邊緣沿軋制方向進行雙面磁粉探傷,結果未發現有報警現象。表明,鋼卷在高頻焊接前無裂紋等缺陷存在,焊管熱影響區出現的裂紋產生在制管焊接工藝過程中,排除了裂紋來自X52試驗鋼卷的可能性。

1.3金相檢驗

對X52 試驗鋼焊管產生的裂紋部分橫向取樣后制成金相試樣,觀察顯微組織和裂紋形貌,X52 焊管和鋼卷縱向取樣,磨制夾雜物試樣進行夾雜物評級。

顯微組織及裂紋形貌檢驗結果見圖1～6。

由金相檢驗結果可見,X52 試驗鋼組織全部為F+ P ,晶粒度為11.0～11.5 。根據GB/ T10561 - 1989標準評定,A 類夾雜為0.5～1.0 ,B 類夾雜為0.5～3.5 ,D 類夾雜為0.5～1.5 。X52 鋼卷及焊管中主要是存在大量密集分布的B 類夾雜物,B 類夾雜物級別最高達到5.0 級。后經掃描電鏡能譜微區成分分析,B 類夾雜物為RE、O、Mg、A1 、Mn、S、Fe 、Ca 等元素的復合夾雜。焊接裂紋位于X52 焊管內壁的焊接熱影響區,距離焊縫約0.5～2.0 mm ,裂紋走向與焊接接頭的金屬流線一致,呈略為彎曲狀態,裂紋內均存在夾雜物,說明裂紋的產生與焊接擠壓力及夾雜物有關。

1、4電鏡檢驗

將肉眼可見的裂紋部分取樣后沿裂紋壓斷,制作成電鏡斷口分析試樣。裂紋斷口是從裂紋側用力使裂紋向外擴展而斷裂,斷口上可見陳舊和已氧化發黑的裂紋源區,以及制樣時的撕裂纖維狀擴展區兩個明顯的區域。裂紋源區深度一般約110～210 mm ,長度有的達到100 mm ,有的僅310～510 mm ,長短不一。裂紋斷口及夾雜物形貌如圖7～12 所示。

由電鏡檢驗結果可知,在裂紋源、裂紋根部和裂紋撕裂區均存在呈層帶狀分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜,雖單個夾雜物尺寸小于10 μm ,但分布集中、密度較大。由圖7 可見,裂紋深約110 mm ,因該試樣裂紋源氧化較輕,可以清晰地看到夾雜物顆粒鑲嵌在整個裂紋源金屬基體上,通過微區能譜分析

表明裂紋源區稀土硫氧化物含量較高。由圖8 、圖11可見,試樣裂紋根部和撕裂區存在層帶狀分布的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜,夾雜物層帶與正常韌窩區域分布呈交錯狀態,夾雜物層厚度達到0.2～1.0mm ,稀土局部微區成分達到了3 %左右。由圖10 可見,焊管存在的中間裂紋試樣,通過微區成分分析表明在裂紋中存在稀土硫氧化物夾雜,RE/ S 達到8.8～12.1 倍。以上電鏡檢驗結果表明,裂紋與稀土夾雜物密切相關,凡在裂紋中均可發現稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜物,夾雜物中的RE/ S 值較高。

2 分析與討論

2.1 焊接裂紋缺陷的形成原因

從金相和電鏡檢驗的結果可知,在焊接裂紋源和裂紋根部,均存在大量密集分布、呈層帶狀的稀土硫氧化物或稀土硫化物夾雜物。稀土硫化物或稀土硫氧化物熔點較高為,1 690～2 450 ℃[1 ] ,屬脆性夾雜。裂紋的形成原因是由于熱態金屬受強烈擠壓,使其中原有的縱向分布的層狀夾雜物向外彎曲過大而造成的開裂現象[2 ,3 ] 。從微觀角度分析裂紋產生的內在原因, 由于層狀夾雜物在金屬內部屬于不連續狀態,在焊接擠壓力的作用下, 稀土硫化物或稀土硫氧化物夾雜層內部分離而產生裂紋, 這可以從裂紋兩側的試樣對應部位夾雜物檢驗結果所證實。

2.2 提高焊管探傷合格率的措施

根據檢驗統計,X52 試驗鋼焊管裂紋位于管內壁的焊接熱影響區,與高頻焊管生產工藝特點相吻合,管內壁流線角度大于外壁。流線角度大,變形就大,也越容易發生裂紋。由焊接裂紋的形成原因可知,X52 高頻焊管產生裂紋的兩個基本條件,一是鋼材內部存在夾雜物,二是焊接擠壓力相對較大。根據資料介紹[2 ,3 ] ,避免產生此類缺陷的措施,首先是保證母材的質量,限制雜質的含量,其次是調整焊接參數,使擠壓力不要過大。焊接工藝試驗時,通過金相檢驗和控制流線角度的方法,在保證氧化物擠出、保證變形量適當的前提下,稍微降低焊接擠壓力,焊管探傷合格率明顯提高,但還是有少量管子在探傷時發現有裂紋缺陷。

3 結論

(1) 焊接裂紋的產生是X52 試驗鋼卷存在層帶狀的稀土硫化物和稀土硫氧化物夾雜以及焊接擠壓力共同作用的結果,提高鋼質純凈度,降低鋼中夾雜物的含量和尺寸,避免夾雜物偏聚是消除焊接熱影響區裂紋的根本措施。

(2) 焊接工藝方面采取與材料相適應的工藝參數,適當降低焊接擠壓力,可降低裂紋產生幾率,提高探傷的合格率。

參考文獻

[1]李代鐘1 鋼中的非金屬夾雜物[M]1 北京:科學出版社,198311471

[2]中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊[M]1 北京:機械工業出版社,199214351

[3]美國焊接學會. 清華大學焊接教研組譯. 焊接手冊[M] . 北京:機械工業出版社,1986. 201.

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