石油套管用鋼37Mn5爆管原因分析及工藝改進

張 恭

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津，300301）

0 引言

隨著鉆井深度越來越深，鉆井規模日趨擴大，石油工業對石油套管需求量在不斷增加，37Mn5系列石油套管用鋼連鑄圓管坯自開發成功以來，已經成為天津鋼鐵集團有限公司的連鑄圓坯主打品種，預計年產可達15萬t，為公司帶來顯著的經濟效益。由于該系列鋼種產量較大，同時石油套管用連鑄圓管坯對表面及內部質量要求越來越高，因此，保證37Mn5系列石油套管用連鑄圓管坯的質量成為了重中之重。在鋼管軋制過程中由于鑄坯原因產生的各項缺陷里，以爆管缺陷尤為嚴重，發生爆管后管體扭曲卡在軋機中很難清理，嚴重影響生產節奏和產量。本文針對爆管缺陷進行了詳細的研究和分析，找出了導致37Mn5系列鋼種軋制過程爆管的主要原因。

1 37Mn5爆管缺陷宏觀特征

客戶采用我公司圓坯Ф150，Y37Mn5，在軋制規格為 139.7×6.2 mm 的管材過程中出現爆管，宏觀照片如圖1所示。

圖1 典型爆管缺陷宏觀形貌

由圖1可見，產生爆管時，鋼管面存在較長較深的螺旋形缺陷，軋制過程中鋼管沿缺陷撕裂，產生較大開口，形成爆管。

客戶使用37Mn5連鑄圓管坯軋制石油套管工藝如圖2所示。

圖2 37Mn5連鑄圓管坯軋制石油套管工藝

所有爆管均產生于軋管工序，穿毛管時未發生爆管。根據爆管宏觀形貌及客戶軋制工藝初步判斷可能是由于鑄坯本身缺陷導致穿管過程中毛管表面存在較深螺旋狀缺陷，軋管過程中由于軋制時鋼管旋轉方向與穿毛管時方向相反，導致螺旋形缺陷被撕裂產生爆管。

2 試驗及爆管原因分析

2.1 試驗材料

從下游廠家取回爆管試樣如圖3所示。

圖3 爆管試樣宏觀形貌

從試樣左側撕裂位置根部切取1個試樣。

2.2 試驗方法及結果

對試樣根部裂紋處進行金相分析和掃描電鏡分析。

試樣為鋼管堆鋼裂口處末端橫向試樣，橫向磨拋后觀察可見鋼管破裂后在管壁內側產生大量褶皺、夾層及裂紋，在夾層及褶皺處有塊狀物及細碎物質，管壁內側典型破損處金相照片如圖4所示。試樣腐蝕后照片如圖5所示。

圖4 試樣管內壁撕裂處端部橫向照片

首先利用金相顯微鏡對37Mn5爆管試樣進行低倍、高倍檢測，腐蝕后發現試樣內部由裂紋處向內存在3種典型組織，分別為萊氏體、魏氏組織、珠光體+鐵素體，如圖6所示。

圖5 試樣腐蝕后照片

圖6 3種典型組織

裂紋處最外層金相組織為萊氏體，見圖6（a）。萊氏體是鋼鐵材料基本組織結構中的一種，常溫下為珠光體、滲碳體和共晶滲碳體的混合物。由液態鐵碳合金發生共晶轉變形成的奧氏體和滲碳體所組成，其碳含量為4.3%。

雖然萊氏體中的碳含量是4.3%，但含量在2.06%～6.67%的液態鐵碳合金在降溫過程中都會有萊氏體產生，只是由于含碳量不同，產生的固態合金中不僅有萊氏體，還有其他成分。含碳量在2.11%～4.3%的液態鐵碳合金在降溫到共晶溫度之前，奧氏體即逐漸析出。到1 147℃，剩余的液態合金發生共晶轉變形成萊氏體，整個合金組成是先析出的奧氏體和萊氏體。溫度繼續降低后，線析出的奧氏體會沿晶界析出二次滲碳體。

正常情況下37Mn5鑄坯的碳含量范圍控制在0.35%～0.39%，遠低于萊氏體的產生條件，由此幾乎可以斷定缺陷處存在較嚴重的增碳。

萊氏體下方組織為滲碳體魏氏組織，見圖6（b）。工業上將具有先共析片（針）狀鐵素體或針（片）狀滲碳體加珠光體的組織，都稱為魏氏組織。前者稱為鐵素體魏氏組織，后者稱為滲碳體魏氏組織[1]。

過共析鋼中奧氏體緩慢冷卻時，將從奧氏體中析出滲碳體。過共析滲碳體的形態，可以是粒狀的、網狀的或針（片）狀。圖6（b）中，滲碳體在奧氏體晶粒內部呈針狀析出，針狀滲碳體之間的奧氏體最終轉變為珠光體，形成滲碳體魏氏組織，說明圖5（b）中位置碳含量在0.77%以上，同樣高于37Mn5鑄坯的碳含量要求。

在亞共析鋼中，如果奧氏體晶粒較大，冷卻速度較快，先共析鐵素體可能沿奧氏體晶界呈網狀析出，如圖6（c），與以往37Mn5金相組織類似，判定為正常組織。

由以上分析可以得出以下初步結論，即試樣管內壁撕裂處端部存在由外向內的較嚴重增碳，鋼管表面增碳來源于鑄坯局部增碳。為了研究增碳來源，對管內壁褶皺處夾雜塊狀物進行能譜分析，能譜結果見圖7。

圖7 能譜結果圖

由圖能譜結果圖6（a）可見內壁褶皺處夾雜物主要為Zr的氧化物，由此判斷大顆粒夾雜物為水口侵蝕后的掉落物進入鋼液。一些地方裂紋中的細碎物中除了 Zr還有含微量 Ca、Mg、Na、Al、Ba、Si等元素的物質，如能譜結果圖6（b）。

分析認為管體表面增碳源于連鑄結晶器保護渣。結晶器保護渣在連鑄工藝中起著重要的作用，具有絕熱、保溫、吸收夾雜、潤滑和傳熱等功能，直接影響鑄坯的表面質量及連鑄生產安全[2]。

軋鋼過程不會造成表面增碳，在正常情況下，結晶器保護渣中所含的碳也不會造成連鑄坯表面增碳。但碳作為熔速控制劑直接影響保護渣的熔化，在不穩定的操作條件下，如拉速頻繁變化或者夾雜物進入結晶器引起結晶器液面頻繁波動等情況，所生產的鑄坯除容易產生表面裂紋等缺陷外，也可能因坯殼卷入保護渣造成鑄坯表面局部增碳[3]。

對生產Ф150規格37Mn5鋼種所使用的結晶器保護渣進行了取樣分析，結果如表1所示。

表1 37Mn5保護渣成分/%

實驗數據表明Ф150規格37Mn5鋼種所使用的保護渣其碳含量為15.6%，在異常情況下保護渣可能造成連鑄坯表面局部增碳，造成鑄坯表面缺陷，影響管材質量。

3 工藝自查及分析

3.1 工藝自查

為發現坯殼卷渣的原因，根據客戶提供的發生爆管的爐號信息，對當時的生產工藝進行了復查。爆管較多爐號37Mn5鑄坯連鑄概況見表2。

表2 爆管較多爐號37Mn5鑄坯連鑄概況

工藝復查后發現，該批次生產的37Mn5連鑄圓管坯中間包溫度波動較大，連鑄拉速變化較為頻繁。問題澆次液位波動情況見圖8。較高的中間包溫度會加速連鑄耐材的侵蝕，耐材受侵蝕后導致大顆粒的外來夾雜物進入結晶器，造成結晶器內鋼水不穩流動，容易形成卷渣。同時由于不同爐次中間包的溫度差距較大，不得不根據中間包溫度頻繁調整拉速，由此帶來的結晶器液位波動為結晶器保護渣卷入坯殼形成了必要條件。由圖可以看出該批次結晶器內液位確實存在較大的波動。

圖8 問題澆次液位波動情況

3.2 卷渣原因分析及優化措施

卷渣是指在鑄坯表面或皮下位置處嵌有保護渣成分，會造成鑄坯局部增碳，引起表面缺陷，提高軋制時的廢品率廢品率，嚴重時可直接導致漏鋼。卷渣的主要原因是結晶器液面波動，結晶器內液位波動過大時，結晶器保護渣無法在液面上方保持均勻穩定的三層結構，容易卷入鋼水內部造成卷渣增碳，同時液渣不能均勻的流入結晶器和新生坯殼之間，造成傳熱不均，使鑄坯產生縱裂或者其它缺陷。鋼、渣界面處的波動也可能會吸入空氣造成卷渣。

結晶器內鋼液的流動行為對于卷渣行為會產生影響，其中水口插入深度和拉速是影響結晶器內部鋼液流動的主要因素。水口插入深度需保持在一個合理的范圍內，插入深度過小時，結晶器內鋼水上回流到達液面時動能較大，容易引起界面波動和卷渣；插入深度過大時，鋼液沖擊深度較大，不利于夾雜物的上浮。嚴格將水口插入深度控制在90～130 mm，可避免上述兩種情況。

目前生產壓力較大的情況下，提高拉速是必然趨勢，但隨著拉速的提髙，結晶器內鋼水上下回流強度增大，造成結晶器內與液渣層接觸的鋼水界面所受剪切力增大，保護渣向鋼液中運動的趨勢增大，結晶器內的卷渣就會越發頻繁。同時，由于鋼水溫度、生產節奏等因素制約，拉速變化較為頻繁，調整拉速時塞棒開啟度的改變引起水口注流變化，也可能導致結晶器液位產生波動。適當降低拉速和保持恒拉速操作可以有效降低拉速對結晶器液位波動帶來的影響，達到避免卷渣的目的。

較高的鋼水溫度和水口的質量問題，導致水口受鋼水侵蝕較嚴重，水口變形影響注流穩定性，同時有大顆粒夾雜物進入結晶器，會造成結晶器內液位不穩，導致卷渣等缺陷。使用優質耐材，保持低過熱度澆鑄可以減輕結晶器液位波動，降低鑄坯中的夾雜物含量。

4 結論

造成37Mn5石油套管用連鑄圓管坯軋制爆管的主要原因是鑄坯表面存在缺陷，造成該種缺陷的原因是鑄坯卷渣。造成37Mn5鑄坯卷渣的主要原因是結晶器液位波動過大。嚴格控制水口插入深度，降低拉速、采取恒拉速操作可以減輕結晶器液位波動，進而減少卷渣情況的發生。選用優質耐材，保持較低的中間包過熱度，可以降低鋼水對耐材的侵蝕程度，有利于減輕結晶器液位波動和減少鋼液外來夾雜物。