煤礦用鉆桿發(fā)生斷裂的原因分析及預(yù)防措施

趙文濤

摘 要：文章主要從金相組織角度出發(fā)，對(duì)我司外銷產(chǎn)品進(jìn)行成分化驗(yàn)、力學(xué)性能檢測(cè)、金相分析等檢測(cè)方法，最終確定帶狀組織在成品鋼管熱處理時(shí)如果消除不完全，就會(huì)導(dǎo)致鋼管在不同方向上承受力的程度不同，即力學(xué)性能在不同方向上呈現(xiàn)異性，從而降低了鉆桿的強(qiáng)度，導(dǎo)致過早的出現(xiàn)斷裂。

關(guān)鍵詞：鉆桿；斷裂；帶狀組織

1 前言

我司供某機(jī)電公司的φ42×5mm規(guī)格、45鋼鉆桿用無縫鋼管在組裝焊接成鉆桿后發(fā)往煤礦后在使用過程中鋼管的中間部位發(fā)生斷裂。鋼管焊接的單元長(zhǎng)度為590mm，鉆桿的總長(zhǎng)度在150-200米間。

2 斷口分析

從整個(gè)斷裂面觀察，斷口形貌粗糙，整個(gè)斷面呈現(xiàn)由上部至周圍放射性的河流花樣，且斷面處鋼管呈現(xiàn)橢圓形，管材外壁有氧化脫皮現(xiàn)象，屬于典型的塑性斷裂，且裂紋源應(yīng)位于鋼管的上部。

3 化學(xué)成分檢測(cè)

在距斷裂面10mm處取樣進(jìn)行化學(xué)成份檢測(cè)，結(jié)果為碳：0.45%；硅：0.22%；硫：0.011%；磷：0.009%；錳：0.59%含量均符合GB/T 8162-2008中45鋼碳：0.42-0.50%；硅：0.17-0.37%；硫：≤0.015%；磷：≤0.025；錳：0.50-0.80%的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 力學(xué)性能檢測(cè)

距斷裂面20mm至260mm處，在斷裂鋼管上截取拉伸試樣，結(jié)果為屈服強(qiáng)度（Rel）：400MPa、380MPa；抗拉強(qiáng)度（Rm）：640MPa、650MPa；斷后伸長(zhǎng)率（A）：21%、22%。均符合GB/T 8162-2008中45鋼屈服強(qiáng)度≥335MPa，抗拉強(qiáng)度≥590MPa，斷后伸長(zhǎng)率≥14%，的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 非金屬夾雜物檢測(cè)

在距斷裂面10mm處取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，結(jié)果為硫化物類夾雜0.5級(jí)、氧化鋁類夾雜1.5級(jí)、硫酸鹽類夾雜0.5級(jí)、球狀氧化物類夾雜2.0級(jí)、單顆粒球狀類夾雜1.0級(jí)。按GB8162-2008結(jié)構(gòu)用無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)要求，無需對(duì)鋼管材質(zhì)進(jìn)行非金屬夾雜物的檢測(cè)，本文進(jìn)行該項(xiàng)檢測(cè)的目的是確定非金屬夾雜物因素對(duì)鋼管斷裂所帶來的影響程度的大小。但由結(jié)果可見，該鋼管的非金屬夾雜物的級(jí)別均在比結(jié)構(gòu)管要求更高的高壓管（GB5310-2008）的要求范圍內(nèi)，由此可排除非金屬夾雜物對(duì)鋼管斷裂的影響。

6 金相檢測(cè)

在距斷裂面10mm處取樣進(jìn)行金相檢測(cè)，其內(nèi)壁附近金相組織為：鐵素體+珠光體，帶狀組織4級(jí)，晶粒度7級(jí)；其外壁附近金相組織為，鐵素體+珠光體，且外壁組織較為均勻，幾乎呈現(xiàn)等軸晶分布，外壁邊緣處存有脫碳現(xiàn)象，深度有0.5mm；其芯部的金相組織為：鐵素體+珠光體，但金相照片中部及上部鐵素體與珠光體呈明顯的條帶狀分布，而左部中間及右下部鐵素體與珠光體呈等軸晶分布。

7 試驗(yàn)結(jié)果分析

帶狀組織是金屬材料在熱形變加工成型過程中所產(chǎn)生的與熱形變加工方向大致平行的由諸個(gè)條帶構(gòu)成的偏析組織。以鋼材中的鐵素體-珠光體帶尤為常見，另外還有珠光體-滲碳體帶等等帶狀組織。

就無縫鋼管而言，帶狀組織的存在可使鋼的組織不均勻，并導(dǎo)致鋼材性能各向異性，降低鋼的塑性、沖擊韌性和斷面收縮率等性能指標(biāo)，易造成沖、壓、彎異常斷裂等嚴(yán)重問題。

無縫鋼管中帶狀組織的產(chǎn)生主要是在穿孔成型及隨之熱軋軋管后的冷卻過程中，發(fā)生相變時(shí)鐵素體優(yōu)先在由枝晶偏析和非金屬夾雜物延伸而成的條帶中而形成的，如果鋼材坯料中存有較多的枝晶偏析或非金屬夾雜物等缺陷，在穿軋成毛管并隨后的冷卻過程中，帶狀組織的形成是無法避免的，只有通過退火工序加以消除。

針對(duì)φ42*5mm規(guī)格的45#鋼管而言，退火工藝一般為810-830℃，熱處理時(shí)間24-28分鐘。嚴(yán)格按照此工藝可大部分的消除熱軋帶來的帶狀組織，使沿軋制方向交錯(cuò)分布的鐵素體晶粒與珠光體晶粒重新形核、長(zhǎng)大呈現(xiàn)等軸晶分布，但帶狀組織消除程度的大小要依據(jù)在AC3點(diǎn)以上熱處理時(shí)間的長(zhǎng)短，熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，帶狀組織消除的越完全，但相對(duì)應(yīng)所投入的熱處理成本就越高，所以根據(jù)實(shí)際的產(chǎn)品類型及欲達(dá)到的帶狀組織級(jí)別制定合適的熱處理工藝才是最切合實(shí)際的辦法。

由圖1中可看出，金相組織存有帶狀組織、等軸晶及兩者的過度組織，是熱處理時(shí)間不夠所造成的，而試樣外壁則完全沒有帶狀組織，而且存有脫碳現(xiàn)象，可推測(cè)熱處理時(shí)，鋼管由于受到強(qiáng)化加熱，導(dǎo)致外壁鋼材升溫過快，并在高溫下停留了較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致氧化脫碳，但由于熱處理時(shí)間不夠，整個(gè)有效厚度的鋼材并未完全受熱轉(zhuǎn)變，即出現(xiàn)了過度區(qū)域，而內(nèi)壁的帶狀組織則根本完全沒有轉(zhuǎn)變。更印證了是由于熱處理時(shí)間不夠所造成的鋼管斷裂。

8 結(jié)論

8.1 45#鉆桿出現(xiàn)的斷裂出現(xiàn)塑性斷裂。

8.2 熱處理時(shí)間不夠?qū)е略敬嬖谟诠懿漠?dāng)中的帶狀組織消除不完全，使管材的力學(xué)性能呈現(xiàn)方向性，即縱向上的承受力較橫向承受力大為降低。當(dāng)鉆桿在工作中，受傳遞扭矩、拉壓、扭曲等載荷的復(fù)合作用下，極易出現(xiàn)疲勞裂紋，近而發(fā)生斷裂。

8.3 熱處理時(shí)，保證在AC3臨界點(diǎn)以上溫度，保溫較為合理的有效時(shí)間，對(duì)于改善帶狀組織有很大的幫助。

參考文獻(xiàn)

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